S’incorporà al cinema des d’una perspectiva experimental, tot utilitzant formats marginals fins el 1980, any que es professionalitzà. S’interessà pel teatre, en el qual treballà temporalment com a actor, i escriví tres relats i una novel·la.
Reconegut com el cineasta més innovador i original del cinema espanyol actual, ha obtingut projecció internacional amb films com Laberinto de pasiones (1982), Entre tinieblas (1983), ¿Qué he hecho yo para merecer esto? (1984), Matador (1985), La ley del deseo (1986), Mujeres al borde de un ataque de nervios (1988), Átame (1990), Kika (1993), La flor de mi secreto (1995), Todo sobre mi madre (1999, que rebé tres premis Goya, l’Oscar a la millor pel·lícula de parla no anglesa i un Globus d’Or el 2000) i Hable con ella (2002, guardonat amb l’Oscar al millor guió original, tres premis de l’Academia de Cinema Europeu el 2002 i el Globus d’Or a la millor pel·lícula estrangera el 2003).
Posteriorment dirigí La mala educación (2004), Volver (2006), pel·lícula guardonada a Canes, amb tres premis de l’Acadèmia de Cinema Europeu i quatre premis Goya (2007), Los abrazos rotos (2009), La piel que habito (2011, premi BAFTA a la millor pel·lícula de parla no anglesa i premi Sant Jordi 2012 de cinematografia del públic a la millor pel·lícula de l’any anterior), Los amantes pasajeros (2013), Julieta (2016) i Dolor y gloria (2019), que obtingué set premis Goya, entre els quals a la millor pel·lícula i a la millor direcció. El 2020 estrenà el curt La voz humana i el 2021 el llargmetratge Madres paralelas., guardonada amb la Copa Volpi del Festival de Venècia a la protagonista, Penélope Cruz.
L’any 2006 rebé el premi Príncipe de Asturias de les arts, i el 2013 i el 2019 el premi d’honor a la trajectòria de l’Acadèmia del Cinema Europeu i del Festival de Venècia, respectivament.