Nato a Parma nel 1941, lavorò come assistente di Pier Paolo Pasolini nel film Accattone del 1961.
Esordì nella regia nel 1962, con un film tratto da un racconto dello stesso Pasolini, La commare secca. Nel 1964 dirige Prima della rivoluzione, in cui emerge la sua posizione critica sia nei confronti della borghesia sia della sinistra.
Nel 1970 cura la regia di La strategia del ragno film per la televisione ambientato in una città padana. Il suo stile singolare e le sue capacità si rivelarono nel Conformista (1970), tratto dal romanzo omonimo di Alberto Moravia, mentre la fama e il successo a livello internazionale li raggiunge con Ultimo tango a Parigi del 1972; l'argomento scabroso e le scene scandalose di cui sono protagonisti Maria Schneider e Marlon Brando, determinarono il sequestro dell'opera, che è ritornata sugli schermi cinematografici ben vent'anni dopo la sua uscita.
Del 1975-76 è Novecento, in due parti, concepito come un vasto affresco, in cui sono contrapposti contadini e padroni, che prende le mosse dal 1900 e arriva fino al 1945 anno della Liberazione. Questa opera ha avuto un'alterna fortuna di critica e di pubblico.
Non pochi dissensi ha avuto anche La luna del 1980, un film molto forte, caratterizzato dal tema dell'incesto.
Nel 1981 dirige La tragedia di un uomo. Nel periodo successivo si dedica esclusivamente alla produzione tornando alla regia nel 1987 con L'Ultimo imperatore, l'unico film nella storia del cinema che vince tutti gli Oscar delle categorie per cui era candidato.
Successivamente, nel 1990, dirige Il thè nel deserto; il Piccolo Bhudda viene girato nel 1993; Io ballo da sola è del 1995.
Nel 1998 realizza L'assedio, con cui vince il Nastro d'Argento 1999 per il montaggio.
Il suo ultimo film, diretto insieme a Franco Zeffirelli del 1998 si chiama Dodici registi per dodici città.