Vinculat intel·lectualment a la generació del 27, demostrà un gran interès pel cinema. Instal·lat a París (1925), fou ajudant del director francès Jean Epstein (1926-28) i realitzà el primer film (Un chien andalou, 1928) en col·laboració amb Salvador Dalí i adscrit al surrealisme. El film següent, L’âge d’or (1930), en el qual intervingué també Dalí, provocà un gran escàndol. Després realitzà el vigorós documental Las Hurdes (1932). Durant la Guerra Civil Espanyola supervisà films de propaganda política republicana. Durant l’exili als EUA (1939-46) fou artísticament poc productiu; fou redescobert amb el film mexicà Los olvidados (1950) al festival de Canes. Resident a Mèxic, realitzà Subida al cielo (1951), Él (1952), Ensayo de un crimen (1955), etc. A partir del 1955 inicià una prestigiosa carrera internacional: Cela s’appelle l’aurore (1955), Nazarín (1958), Viridiana (1961) —que guanyà el gran premi del festival de Canes: representava oficialment Espanya, però en fou prohibida la circulació—, El ángel exterminador (1962), Le journal d’une femme de chambre (1963), Belle de jour (1966), La voie lactée (1968), Tristana (1970), Le charme discret de la bourgeoisie (1972, Oscar a la millor pel·lícula estrangera), Le fantôme de la liberté (1974) i Ese oscuro objeto del deseo (1978). La seva personalitat poderosa és producte d’una feliç síntesi cultural de la tradició realista ibèrica (la picaresca, Rojas, Quevedo, Goya, Pérez Galdós, Valle-Inclán) i de la subversió moral surrealista.