De padre funcionario y madre pianista, Carlos Saura comenzó sus estudios en el colegio San Viator de Huesca pero cuando comienza la Guerra Civil, Saura y su familia viven en Madrid. En 1937, los Saura se trasladan a Valencia siguiendo al gobierno republicano. En 1938 harán lo mismo marchándose a vivir a Barcelona.
Finalizada la guerra, Saura vuelve a Huesca con su familia materna, mientras sus padres y dos de sus hermanos se trasladan a Madrid. En 1942, regresa a Madrid con su familia donde se matricula en el colegio Garmar. En 1949 finaliza el bachillerato y se matricula en Ingeniería Industrial a pesar de ser un gran aficionado de la fotografía. Al año siguiente, Saura comienza a regentar una imprenta en la que aprende tipografía y composición. Tiempo después comenzó a trabajar en una fábrica de ciclomotores como constructor y diseñador de prototipos. También cumplió con el servicio militar como voluntario del Ejército de Aviación.
En 1951 inauguró su primera exposición fotográfica en la Real Sociedad Fotográfica de Madrid e ingresó en el Instituto de Investigaciones y Experiencias Cinematográficas (IIEC) al tiempo que asistía a los cursos de la Escuela de Periodismo. También comenzó a frecuentar las tertulias del Café Gijón y el Café Comercial junto a Mario Camus, entre otros.
En 1955 participó en las Conversaciones de Salamanca, unos encuentros para renovar el cine español impulsados por Juan Antonio Bardem y en los que también participaron Luis García Berlanga, Basilio Martín Patino y Ricardo Muñoz Suay.
En 1956 realizó el cortometraje El pequeño río Manzanares. Al año siguiente finaliza sus estudios de Dirección Cinematográfica con el cortometraje Tarde de domingo, al tiempo que es nombrado profesor de Prácticas Escénicas. Descubre la obra de Luis Buñuel en los Encuentros de Cine Hispanoamericano de Montpellier (Francia) y su documental Cuenca (1958), locutado por Paco Rabal, recibió el Premio de Mención Especial en el Festival de Cine de San Sebastián. También se casó con Adela Medrano en Barcelona y tiene a su primer hijo, Carlos. Al año siguiente rueda su primer largometraje: Los golfos (1959), en cuyo guión participó Mario Camus. El filme es seleccionado para representar a España en el Festival de Cannes, donde conocerá personalmente a Buñuel. La censura española destroza la cinta.
En 1960 se incorpora a la productora UNINCI, artífice de la renovación del cine español durante los años 50 pero que desaparecerá un año después. También prepara su segunda película: Estos son tus hermanos (1960), una cinta sobre un exiliado de la Guerra Civil que vuelve a España. Ese año nace su segundo hijo, Antonio.
En 1964 escribe con Mario Camus Llanto por
un bandido, seleccionada para el Festival de Cine de Berlín.
Paco Rabal protagoniza este drama donde destaca la presencia de Buñuel
y Antonio Buero Vallejo (1916–2000). Poco después comienza
a escribir, junto con Angelino Fons, el guión
de La caza (1966), basada en unos escenarios
utilizados en su anterior largometraje. Dirige la cinta dos años
después, que es producida por Elías
Querejeta, con quién iniciará una prolífica relación
que se prolongará hasta 1981. Carlos Saura fue galardonado con
el Oso de Plata al Mejor Director en la Berlinale, donde conoce a Geraldine
Chaplin. También obtuvo el reconocimiento del Círculo de
Escritores Cinematográficos de España.
En 1967 dirige a Geraldine Chaplin en Peppermint Frappé, actriz con la que mantendrá un idilio durante algo más de una década. La película, en cuyo guión trabaja Rafael Azcona, ganó un Oso de Plata en el Festival de Berlín. Stanley Kubrick (1928–1999) ve la película de Saura y le pide que sea el director del doblaje español de varias de sus películas: La naranja mecánica (1971), Barry Lindon (1975) y El resplandor (1980). En 1968 estrena Stress, es tres, tres, y al año siguiente rueda La madriguera (1969), ambas protagonizadas por la hija de Charles Chaplin.
El jardín de las delicias (1970), fue censurada en España en un primer momento, aunque su éxito en el Festival de Cine de Nueva York le facilitó la salida comercial.
La cinta es elegida en esta ciudad estadounidense como una de las 10 mejores películas del año. Tras Ana y los lobos (1972), rueda La prima Angélica (1973), un recuerdo de la Guerra Civil y Premio Especial del Jurado del Festival de Cannes; y Carlos Saura dirige Cría cuervos (1976), estrenada al día siguiente de la muerte de Carrero Blanco (1903–1973), presidente del Gobierno español. La opinión pública creyó que, tras este hecho, Saura estaba acabado como director de cine, pero contra estos pronósticos, la película recibió el Premio Especial del Jurado en Cannes, el Premio de la Crítica en el Festival de Cine de Bruselas y el Premio del Círculo de Escritores Cinematográficos. La canción Por qué te vas, interpretada por José Luis Perales y que forma parte de la banda sonora del filme, se convierte en un éxito mundial. Al año siguiente nació su tercer hijo, Shane.
En 1976 rueda Elisa, vida mía, y, dos años después, estrena Los ojos vendados (1978) que, según el propio Carlos Saura es “un alegato contra la tortura y mi forma de ayudar a desenmascarar las barbaridades que sucedían en el Cono Sur americano”. El largometraje ganó el Premio al Mejor Guión del Círculo de Escritores Cinematográficos de España.
Al año siguiente dirige Mamá cumple cien años (1979), protagonizada por Geraldine Chaplin, con quien finaliza su idilio. La película es un éxito de crítica y público. Fue premiada con el Premio Especial del Jurado en el Festival de San Sebastián y seleccionada como candidata al Oscar en la categoría de Mejor Película de Habla No Inglesa. En 1980, Saura escribe y dirige Deprisa, deprisa, una de sus películas más populares, galardonada con el Oso de Oro del Festival de Berlín. Ese año, Carlos Saura recibe también el Premio Nacional de Cinematografía y se convierte en padre por cuarta vez con su nueva compañera sentimental, Mercedes.
En 1981 Antonio Gades, protagoniza la película Bodas de sangre, basada en la obra de Federico García Lorca (1898–1936). La compañía del bailarín ya había representado previamente un ballet con el mismo título. Saura trasladó esta representación al cine con un éxito sorprendente. La película, que supuso el primer contacto de Saura con el género musical, fue proyectada fuera de concurso en el Festival de Cannes. Carlos Saura ganó el Premio Especial en el Festival de Cine de Montreal, el Premio del Festival de Cine de Cartagena de Indias y el Primer Premio en el Festival de Cine de Amberes. Ese mismo año estrena Dulces horas (1981), la última colaboración con el productor Elías Querejeta.
En 1982, Saura viaja a Latinoamérica para rodar Antonieta, donde Isabel Coixet trabaja como intérprete. La película cuenta la historia de una mujer durante la revolución mexicana. Contrae matrimonio con la madre de su cuarto hijo, Mercedes y, al año siguiente, estrena Carmen (1983), adaptación de la ópera de Bizet. La película, en la que trabajan Antonio Gades, Paco de Lucía y Marisol, fue premiada en los festivales de Cannes y Montreal, además de recibir el Gran Premio de la Comisión Superior Técnica del Cine Francés. En 1984 Saura rueda Los zancos, protagonizada por Antonio Banderas; estrena junto a Gades la versión teatral de Carmen en París y comienza el rodaje de El amor brujo (1986), que obtuvo dos premios Goya al Mejor Director y al Mejor Guión Adaptado. También nace su quinto hijo, Adrián.
Su siguiente película es El Dorado (1988). Rodada en Costa Rica y financiada por el productor Andrés Vicente Gómez, se convierte en la película más cara del cine español. Vuelve a ser padre, junto con Mercedes, de otro varón, Diego. En 1989 estrena La noche oscura mientras realiza la adaptación teatral de El amor brujo, con ayuda de Antonio Gades. Al año siguiente rueda ¡Ay, Carmela! (1990), en cuyo guión trabajó Rafael Azcona. El filme se hizo con 14 Premios Goya.
En 1991 dirige en Stuttgart (Alemania), junto a su hermano Antonio, una nueva versión de Carmen. Después se traslada a Buenos Aires para rodar El Sur, una serie de televisión sobre el escritor argentino Jorge Luis Borges (1899–1986). En 1992 rueda Sevillanas; se encarga de la película oficial de las Olimpiadas de Barcelona: Maratón; la Galería Nacional de Arte de Washington proyecta un ciclo sobre su obra, y le es concedida la Medalla de Oro de la Academia de las Ciencias y las Artes Cinematográficas de España. Al año siguiente rueda ¡Dispara! (1993), una adaptación de un cuento del escritor italiano Giorgio Scerbanenco, y es galardonado en Francia con la Orden de las Artes y las Letras. En 1994 comienza el rodaje de otro musical, Flamenco, es investido Doctor Honoris Causa por la Universidad de Zaragoza, y nace su primera hija, Ana, fruto de su relación con la actriz Eulalia Ramón.
En 1995 rueda Taxi y estrena, junto a su hermano Antonio, la ópera Carmen, de Bizet, en el Festival de Due Mondi de Italia. Dos años después publica su novela Pajarico solitario (1997) y viaja a Argentina para rodar Tango (1998), película presentada a los Oscar con nacionalidad argentina. Saura recibe el Premio Cóndor de la Asociación de Críticos Argentinos como Mejor Director del año. En 1998 estrena el filme Pajarico y publica el libro Esa luz y, al año siguiente, Goya en Burdeos (1999), largometraje con el que Saura es galardonado con el Premio a la Mejor Contribución Artística y el Premio del Jurado del Festival de Montreal.
En 2001 estrena Buñuel y la mesa del rey Salomón y al año siguiente Salomé (2002), película con la que Saura gana el Premio a la Mejor Contribución Artística en el Festival de Montreal, un certamen que también le otorgará el Premio al Mejor Director por su siguiente filme: El séptimo día (2004), sobre el crimen de Puerto Urraco (Badajoz).
En 2005 afrontó nuevamente el reto de dirigir otro musical, Iberia (2005), en este caso protagonizado por Sara Baras y Antonio Canales. Este proyecto, basado en la obra del músico y compositor Isaac Albéniz (1860–1909), muestra al público las posibilidades del flamenco, la danza contemporánea, el baile español y el ballet clásico. Su director de fotografía, José Luis López–Linares recibió el Goya a la Mejor Fotografía.
Por tercera vez, Saura ha sido el encargado de escenificar la puesta en escena de la ópera Carmen, de Bizet, para inaugurar la temporada lírica 2007/2008 del Palacio de las Artes de Valencia. En esta producción, que se estrenará el 27 de octubre, cuenta con su hijo, Carlos Saura Medrano y con el director de fotografía José Luis López–Linares.
A finales de 2007 ha estrenado un nuevo largometraje musical, el cuarto en su cinematografía después de Sevillanas (1992), Tango (1998) e Iberia (2005). Lleva por título Fados, que es el nombre que reciben las canciones portuguesas, especialmente de Lisboa, de carácter triste y fatalista. Con él, ganador del Goya a la Mejor Canción Original, profundiza en el origen del fado, reflejando su nacimiento como música arrabalera y portuaria con influencias africanas y brasileñas. El Ayuntamiento de Lisboa y el Instituto de la Cinematografía y de las Artes Audiovisuales (ICAA) español le concedieron diversas ayudas económicas para dirigir la película.
Su nuevo proyecto es el largometraje Io, Don Giovanni (2008), ambientado en la Venecia del siglo XVIII e inspirado en la ópera de Mozart (1756–1791), Don Giovanni. Saura ha explicado que en la trama de este drama musical confluirán realidad y ficción acerca de la vida de Lorenzo da Ponte, letrista de Mozart, con quien trabajó en Viena tras ser desterrado a causa de su vida licenciosa repleta de desmanes. Una de las actrices principales de la película será la joven María Valverde.