Estudió Dirección e Interpretación Teatral en el Teatro Español de Madrid y en el Laboratorio William Layton.

En 1987 se traslada a Los Ángeles, donde estudió Cinematografía en Sundance y en el American Film Institute. Este último centro produce tres episodios dirigidos por Barroso: Todo lo que tienes que hacer es doñar, Hotel Paraíso y El último espectáculo.

A comienzos de los 80 dirige los siguientes cortometrajes: Expreso (1982), El acto sensual (1983), Crímenes ejemplares (1983), que obtuvo el Premio Especial de Calidad del Ministerio de Cultura; Me gusta alternar el trabajo con el odio (1984), que obtuvo el Premio al Mejor Mediometraje en el Festival de Alcalá de Henares; y No llevamos dinero (1986).

En 1990 dirige la comedia mexicana Es que Inclán está loco y en 1991 realiza para televisión cinco capítulos de la serie Las chicas de hoy en día y escribe y dirige el capítulo Guerreros del arco iris, perteneciente a la serie Un mundo sin fronteras. En 1992 estrena el drama hispano–mexicano Lucrecia: crónica de un secuestro (1992), en el que actúan Toni Cantó y Juan Diego Botto.

Su primer largometraje, Mi hermano del alma (1994) es un thriller producido por Fernando Colomo. El filme obtuvo el Goya a la Mejor Dirección Novel, el Premio Sant Jordi, el Premio Luis Buñuel y el Premio del Festival Karlovy–Vary. El propio Barroso junto a Joaquín Oristrell escribieron el guión de esta película y del siguiente trabajo del cineasta catalán, Éxtasis (1996), protagonizado por Javier Bardem y que recibió el Premio a la Mejor Película del Año de la Asociación de Críticos del Espectáculo de Nueva York. Ese año también dirige el doblaje al español de la película Fargo (1996), de Joel y Ethan Coen.

En 1999 estrena la película Los lobos de Washington (1999), thriller protagonizado por Javier Bardem, José Sancho y Ernesto Alterio, en el que dos amigos pretenden timar a su antiguo jefe con un plan arriesgado. También escenifica la obra teatral El hombre elefante. En el año 2000 rueda el cortometraje Mi abuelo es un animal, con Héctor Alterio como protagonista, y el filme Kasbah, en el que actúan Ernesto Alterio, José Sancho y Natalia Verbeke.

En el tiempo de las mariposas (2001) es un telefilme de nacionalidad estadounidense que fue presentado en el Festival de Cine de Santo Domingo (República Dominicana). Está protagonizado por Marc Anthony y Salma Hayek, actriz que da vida a una de las cuatro hermanas Mirabal, fundadoras del movimiento “14 de Junio”, que terminó con la dictadura de Rafael Leónidas Trujillo (1930–1961) en la República Dominicana.

El pasado que te espera (2004), cortometraje del filme Hay motivo, elabora una lista de motivos reales para votar a un partido que apoya la gestión del Ejecutivo en la última legislatura.

Hormigas en la boca (2005) es una adaptación cinematográfica de una novela de su hermano Miguel Barroso. Fue producida por Gerardo Herrero y Eduardo Campoy. La película, ambientada en Cuba a finales de los años 50, cuenta la historia de un presidiario que, tras salir de la cárcel después de cumplir 10 años de condena por el atraco de un banco, viaja a La Habana en busca de Julia, su amante y compañera en aquel robo que consiguió escapar con el dinero. El filme es una recreación el ambiente corrupto de La Habana en aquellos últimos días de la dictadura de Batista.

El oficio de actor (2005), es un documental que Mariano Barroso ha dirigido para Canal+ dentro del programa Lecciones de cine.