Torna-se depois assistente de direção do francês Marcel Carné e roteirista do diretor Federico Fellini. A solidão, os problemas existenciais da classe média e o estilo de vida da burguesia são os temas centrais de seus filmes, que aprofundam a temática introspectiva do neo-realismo italiano inaugurado por Roberto Rosselini, Vittorio de Sica e Luchino Visconti.
A trilogia A Aventura (1959), A Noite (1960) e O Eclipse (1961), sobre a incomunicabilidade do ser humano, obtém aplausos da crítica, mas pouco sucesso comercial. O reconhecimento do público vem com Blow-Up - Depois Daquele Beijo (1967), filmado em Londres. Dirige, entre outros, Zabriskie Point (1969) - retratando a sociedade de consumo norte-americana -, O Passageiro - Profissão: Repórter (1975) e Identificação de uma Mulher (1982).
Afasta-se do cinema após sofrer um derrame cerebral em 1986. No início de 1997 surpreende com o lançamento de mais um filme,Além das Nuvens, rodado em colaboração com o cineasta alemão Wim Wenders.