Az északnyugat-spanyolországi Huescában született. Családja 1935-ben költözött Madridba, itt vészelték át az 1939-ig tartó véres polgárháborút. Az élénk, olykor ijesztő emlékek gyakran vissza-visszatérnek a rendező filmjeiben.

Nála két évvel idősebb bátyja, Antonio neves festőművész lett, vele később gyakran dolgozott együtt. Carlos Saura gépészmérnöknek tanult, de hamar rájött, hogy nem a megfelelő pályát választotta, és otthagyta az egyetemet.

Egy ideig fotózással kereste kenyerét, főként táncosokat és zenészeket fényképezett, majd bátyja ösztönzésére a filmek felé fordult. A legendás Escuela Oficial de Cinematografía hallgatója lett, nagy hatással voltak rá az olasz neorealizmus filmjei, de még többet köszönhetett az atyai jó baráttá váló Luis Bunuelnek.

Első jelentős alkotását, a Csavargókat, amelynek két főhőse a szegénység és a kilátástalan élet elől áll torreádornak, a Franco-rezsim évekre betiltotta. Az 1964-ben készült, egy andalúziai betyár életét elmesélő Banditasiratóban a realista vonalat akarta végigvinni, a producerek viszont a kalandfilmhez ragaszkodtak - az eredmény nemcsak cenzúra, hanem csúfos bukás is lett.

Tehetsége csak azután bontakozhatott ki, hogy találkozott Elías Querejeta producerrel, aki teljes alkotói szabadságot biztosított számára. Első közös filmjük, a Vadászat című thriller számos nemzetközi díjat söpört be, így - bár Saura társadalomkritikája ugyanolyan erős maradt - a politikai vezetés nem lépett fel ellene.

A hatvanas évek közepén már a spanyol film maghatározó alakjának számított, ezeket az éveket olyan filmsikerek fémjelezték, mint az Anna és a farkasok, a Nevelj hollót, az Életem, az Elisa, a Bekötött szemek és A Mama százéves. Alkotásaiban a női főszerepet jobbára Geraldine Chaplin játszotta, akit feleségül is vett, és akitől egy fia született.

1980-ban magánéletében és művészetében is új szakasz kezdődött. Véget ért kapcsolata Geraldine Chaplinnel, a nézőket pedig a flamenco világába kalauzolta el. Antonio Gades táncművésszel és Paco de Lucia gitárossal összefogva született meg A Vérnász, Garcia Lorca drámájának filmes-táncos adaptációja, majd a Carmen.

A flamenco-trilógia utolsó része 1986-ban készült el, Bűvös szerelem címmel.

Saura a kilencvenes években sem pihent meg, bár a spanyol filmművészetet ekkoriban már Pedro Almodóvarral azonosították.

1990-ben forgatta a spanyol polgárháború idején játszódó Jaj, Carmelát, az évtized közepén a Flamencót (megint csak Paco de Lucia közreműködésével), 1998-ban Tangó címmel készített táncos filmet.

Az egy évvel későbbi Goya a festő bordeaux-i száműzetésben töltött éveit mutatja be, és számos fesztiválon ért el sikereket. A 2001-es Bunuel Salamon király asztalánál tisztelgés a nagy mester előtt: a szürrealista hagyományokhoz illő történet szerint az 1983-ban elhunyt Bunuel 2002-ben megbízást kap egy film elkészítésére, amelyben fiatalkori önmaga, Garcia Lorca és Salvador Dali Salamon király egykor Jeruzsálemből elrabolt asztalát keresik Toledóban.

Saura tavaly újra flamencofilmet forgatott, néhány nap múlva pedig New Yorkban bemutatják az általa rendezett Flamenco Hoy című színházi előadást.