Calandában született 1900. február 22-én. Jezsuitáknál tanult Zaragozában, 17 évesen beiratkozott a madridi egyetemre, ahol filozófiával és irodalommal foglalkozott, s megismerkedett Salvador Dalíval és Garcia Lorcával. 1920-ban megalakította az első spanyol filmklubot, s kritikákat írt az ott bemutatott filmekről. 1924-ben Párizsban a Jean Epstein vezette Filmművészeti Akadémiát látogatta, filmkritikusként és rendezőasszisztensként dolgozott. Megismerkedett a szürrealista mozgalommal, barátságot kötött Louis Aragonnal és a dadaista Man Ray-jel. 1928-ban Dalíval együtt elkészítette első filmjét, Az andalúziai kutyát, amely a filmművészet egyik legjelentősebb szürrealista alkotása.



1930-ban Franciaországban forgatta le Az aranykor című művét, amelynek vetítésén a Hazafiak Ligája és a Zsidóellenes Liga tagjai botrányt okoztak, majd a jobboldali sajtó vezetett hadjáratot ellene, végül a cenzúra teljes egészében betiltotta a filmet. 1933 és 1935 között Párizsban az amerikai Paramount vállalat számára dolgozott, majd a Warner Bros felkérésére Spanyolországban producerként három közönségfilmet készített.

A spanyol polgárháború kitörése után Párizsba küldték követségi attasénak, innen 1938-ban ugyancsak diplomáciai küldetésben Hollywoodba ment, hogy ellenőrizze a Spanyolországról készített filmeket. Itt egy darabig vágó, majd bemondó volt, később New Yorkban a Museum of Modern Art munkatársa lett, de amikor kiderült, hogy ő rendezte Az aranykor című ateista filmet, fel kellett mondania.

1947-ben Mexikóban telepedett le, itt készítette első mexikói remekművét, Az elhagyottakat. Karrierje ezután felfelé ívelt. Lassan minden filmjét a sajátos buñueli világlátás uralta: olyan álomvilágot mutat, amelyben furcsa és váratlan dolgok történnek, összefonódik költőiség és az érzékenységből fakadó agresszivitás. 1960-ban visszatérhetett Spanyolországba, leforgatta a Viridianát, amelyet a spanyol hatóságok egyházellenesnek találtak, a cannes-i filmfesztiválon azonban nagydíjat kapott.

A hatvanas évek jelentős alkotásai az antiklerikálisnak tartott Az öldöklő angyal, a nyíltan politizáló Egy szobalány naplója, A nap szépe, a Tristana. Három utolsó filmje, "trilógiája" - A burzsoázia diszkrét bája (1972), A szabadság fantomja (1974) és A vágy titokzatos tárgya (1977) - Párizsban készült. 1972-ben A burzsoázia diszkrét bája elnyerte a legjobb külföldi filmnek járó Oscar-díjat, bár maga a rendező azt mondta: "morálisan semmi sem taszít jobban, mint Oscar-díjat nyerni".

Életének utolsó éveiben Mexikóban élt, itt állt a háza cellaszerű szobájával a hatalmas könyvtár és a céllövő terem mellett. Állítólag céllövő szenvedélye miatt lett erősen nagyothalló, filmjeit is hallókészülékkel készítette, és többnyire hang nélküli vetítésben nézte. 1982-ben megjelentette önéletírását Utolsó leheletem címmel, és még ugyanebben az évben július 29-én Mexikóvárosban meghalt.