Lengyel zsidó és orosz bevándorlók gyermekeként született Párizsban Raimund Lieblung néven. A család Polanski hároméves korában Krakkóba költözött, ahonnan a második világháború idején deportálták őket. A fiút kiszöktették, de anyja meghalt, apjával csak a háború után találkozott újra. Műszaki tanulmányait félbehagyva színésznek csapott fel, majd 1954-től a lódzi filmművészeti főiskola rendezői szakára járt. 1961-ben készült első játékfilmjét, a Kés a vízben című lélektani szerelmi drámát Oscar-díjra jelölték, a kommunista kultúrpolitika azonban nem kedvelte, még a párt központi bizottságának ülésén is téma volt.

Polanski ezután külföldön dolgozott, Nagy-Britanniában forgatta az Iszonyatot, ebben Catherine Deneuve egy frigid és skizofrén nőt játszik, aki a végén gyilkol. 1967-ben Hollywoodban készült az egyik első horror-vígjáték, a Vámpírok bálja, amelynek főszerepét maga vállalta második neje, Sharon Tate oldalán. Egy évvel később már "komoly" horror került ki kezei alól, a Rosemary gyermeke a műfaj klasszikusa. A rémségek azonban a való életben folytatódtak: 1969-ben terhes feleségét brutális módon lemészárolta a Manson-banda.

A megrendült rendező a munkába menekült, 1971-ben elkészítette a szöveghű és művészileg tökéletes, de brutális és véres Macbethet. Három évvel később forgatta Jack Nicholson és Faye Dunaway főszereplésével a Kínai negyedet, majd 1976-ban A lakó című fekete komédiát. Egy évvel később neve ismét a címlapokon virított, de nem művészi teljesítményével: kiskorú megrontása miatt indult ellene eljárás, amit ő nem várt be, Franciaországba menekült. Az Egyesült Államokba azóta sem tért vissza, mert itt továbbra is elfogató parancs van ellene érvényben. (Szexbotrányát épp idén elevenítette fel egy dokumentumfilm a Sundance fesztiválon.)

1979-ben készítette az Egy tiszta nő című regény filmváltozatát Tess címmel - a pletyka szerint a fiatal lányokhoz vonzódó rendező a munkakapcsolatnál közelebb került a 17 éves főszereplőhöz, Nastassja Kinskihez. 1984-ben jelentkezett az Őrület című krimivel, 1986-ban Walter Matthauval forgatta a Kalózok című kaland vígjátékot. Az 1992-es Keserű hold című erotikus thriller főszerepét harmadik felesége, Emmanuelle Seigner játszotta, 1994-ben zajos kritikai sikert aratott A halál és a lányka.

A sokak által leírt, kiégettnek tartott Polanski legnagyobb sikerét az önéletrajzi elemekkel átszőtt, a varsói gettóban játszódó A zongorista című alkotással aratta (2002). A holokausztot a lengyel Wladyslaw Szpilman memoárja alapján feldolgozó film meghozta Amerika képletes megbocsátását és a gyűjteményéből addig hiányzó rendezői Oscar-díjat is, örömét csak az csorbíthatta, hogy a kitüntetést nem vehette át személyesen. Polanski a számára is oly fájdalmas témával hosszabb ideje foglalkozott, de csak most érzett elég erőt a megvalósításhoz. (Korábban visszautasította Steven Spielberg ajánlatát a Schindler listája megrendezésére, mert a történetet túl felkavarónak találta.) Utolsó munkája a Twist Olivér 13. megfilmesítése, tervei között szerepel egy ókori kosztümös film Robert Harris Pompei című regényéből. Számos kitüntetése mellett 2006-ban megkapta az Európai Filmakadémia életműdíját.