Autodidacte, començà a treballar com a editor en la indústria del cinema. El 1962 fou director ajudant a Lawrence of Arabia, però renuncià al càrrec per desacords amb el director principal, David Lean. Treballà també amb Roger Corman (The Masque of the Red Death, 1964), François Truffaut (Fahrenheit 451) i John Schlesinger (Far from the Madding Crowd, 1967). Debutà com a director principal el 1968 amb Performance (conjuntament amb Donald Cammell), que s’estrenà dos anys més tard per les escenes de violència i consum de drogues que contenia. De manera similar, Don’t Look Now (1973) causà polèmica per les escenes de sexe explícit. Més enllà d’elements provocadors i de l’escàs reconeixement que tingué en el seu moment, Roeg és considerat un innovador per les atmosferes inquietants creades en les seves pel·lícules a partir d’un discurs fragmentat i tanmateix de gran impacte emocional. Altres títols de la seva filmografia són Walkabout (1971), The Man Who Fell to Earth (1976), Bad Timing (1980), Eureka (1983), Insignificance (1985), Castaway (1986), Track 29 (1988), The Witches (1990), Cold Heaven (1991), Heart of Darkness (1993), Two Deaths (1995), Full Body Massage (1995) i Puffball (2007).