A rendező a közép-olaszországi Ferrarában született, Bolognában szerzett közgazdasági diplomát. Több egyetemet elkezdett, de egyik sem tetszett neki. Az alakuló neorealista csoport körül téblábolva kezdett el filmkritikákat írni, majd véglegesen a filmhez pártolt. 1950-ben készítette első játékfilmjét (Egy szerelem története). A nagy szakmai elismerést az 1955-ben készült A barátnők hozta meg számára. Igazi hangját az 1950-es évek végén találta meg az olasz polgári lét kiüresedésének ábrázolásával. A mai napig egyik legnagyobb remekművének tekintik A kalandot (1959), de legalább ilyen hatású volt Az éjszaka (1960) és a Vörös sivatag (1964) is.

A 60-as évek második felét jellemző "ellenkulturális" mozgalmak olyan irányadó filmjeit készítette el, mint a Nagyítás (1966) és a Zabriskie Point (1969). Szüntelen kísérletező kedvére jellemző, hogy 1980-ban elektronikus eszközökkel készítette el Az oberwaldi titok című filmjét, sőt még videoklipet is készített az olasz rocksztárnak, Gianna Nannininek. 1985-ben súlyos agyvérzést kapott, félig megbénult és többé nem tudott beszélni, ennek ellenére felépülése után ismét dolgozni kezdett: 1995-ben Wim Wenders német filmrendezővel közösen forgatták a Túl a felhőkönt. Utoljára 2004-ben készített rövidfilmet Eros címmel.