Urodził się w Paryżu w polsko-żydowskiej rodzinie, która w 1937 przeniosła się do Krakowa.
Od 1948 występował w teatrze. W 1953 zadebiutował na ekranie. Od 1954 studiował reżyserię w PWSF w Łodzi, którą skończył, jednak nie zdobył dyplomu. Do 1969 współpracował z Krzysztofem Komedą. Jego pierwszy film pełnometrażowy, "Nóż w wodzie" (1962) otrzymał nominację do Oscara.

Następnie wyjechał do Europy Zachodniej. Początkowo przebywał we Francji, a następnie w Wielkiej Brytanii, gdzie zrealizował filmy "Wstręt" z Catherine Deneuve i "Matnia" (w okresie tym współpracował z Gérardem Brachem, z którym napisał także scenariusz do "Nieustraszonych pogromców wampirów"). W 1968 wyjechał do Hollywood, gdzie zrealizował horror "Dziecko Rosemary".

Sześć lat później Roman Polański nakręcił "Chinatown" z Jackiem Nicholsonem w roli głównej. Film stał się wielkim przebojem, zdobył 11 nominacji do Oscara (1 przyznany - za scenariusz) oraz 7 nominacji do Złotych Globów (4 przyznane – za najlepszy film, reżyserię, scenariusz i rolę męską). Chinatown zdobył powszechne uznanie krytyków i publiczności. Film Polańskiego jest uważany za jedno z największych dzieł w historii kina.

Po powrocie do Europy Polański nakręcił film "Tess", który otrzymał trzy Oscary (na sześć nominacji), Złoty Glob dla najlepszego filmu zagranicznego i trzy Cezary, w tym dla najlepszego filmu.

Kolejnym nagradzanym filmem Romana Polańskiego stał się wyprodukowany w 2002 roku dramat wojenny "Pianista". Film wygrał Złotą Palmę na Festiwalu w Cannes, 7 Cezarów oraz 3 Oscary - za najlepszą reżyserię, scenariusz adaptowany oraz rolę męską.

W 2005 został odznaczony przez polskiego ministra kultury Złotym Medalem Zasłużony Kulturze Gloria Artis.

W 2008 roku światową premierę miał głośny film dokumentalny o reżyserze: "Roman Polański: Ścigany i pożądany".

W 2010 roku powstał film "Autor widmo", za który zdobył Srebrnego Niedźwiedzia na MFF w Berlinie oraz 6 nagród Europejskiej Akademii Filmowej – w tym za najlepszy film, reżyserię i scenariusz. Za ten sam obraz Polański otrzymał dwa wyróżnienia Francuskiej Akademii Filmowej – Cezary, za najlepszą reżyserię i scenariusz adaptowany.