Après des études à la California Institute of the Arts, Tim Burton débute chez Disney dans les années 70, collaborant à l'animation de plusieurs dessins animés, dont Rox et Rouky. Après cette expérience, il fait ses débuts dans la réalisation par le biais de deux courts métrages, l'un d'animation (Vincent, 1982), l'autre de facture classique, Frankenweenie (1984), parodie revendiquée de Frankenstein et des films de la firme Hammer.

En 1985, Tim Burton réalise son premier long métrage, Pee Wee Big Adventure, qui plante déjà les bases d'un univers très personnel, où le fantastique le dispute à l'onirisme. Trois ans plus tard, il se révèle au grand public avec la comédie Beetlejuice, fable fantastico-macabre dans laquelle Michael Keaton incarne un "bio-exorciste" totalement déjanté. Il retrouvera le comédien pour Batman (1988) et Batman, le défi (1991), le glissant dans le costume du célèbre homme chauve-souris et démontrant par la-même que son génie créatif peut aussi s'exprimer sur des films dits "de commande".

Fidèle en amitiés professionnelles, Burton entame en 1990, par la romance fantastique Edward aux mains d'argent, une fructueuse collaboration (huit films) avec Johnny Depp. Après avoir donné au comédien le rôle d'une invention humaine pourvue d'un coeur et de lames de métal en guise de doigts, le cinéaste ne cessera de lui offrir des prestations fortes et originales. Ainsi, Depp se glisse sous les traits du réalisateur de séries Z Ed Wood (1994), fait tout pour percer le mystère d'un cavalier sans tête dans Sleepy Hollow (1999), campe un inquiétant chocolatier dans Charlie et la chocolaterie (2005), adapté du livre pour enfants de Roald Dahl, et incarne le terrifiant barbier Sweeney Todd (2008).

Tim parvient parfois à s'affranchir du fantastique pur et d'un cinéma très personnel bâti au fil des ans. Il emprunte ainsi un ton plus parodique avec Mars Attacks! (1996), qui narre une invasion extra-terrestre aussi tragique que délirante, se penche sur l'exercice du remake avec La Planète des singes (2001), ou abandonne même toute excentricité avec la fable douce-amère Big fish (2003). Considéré comme l'un des cinéastes les plus inventifs de sa génération, Tim Burton est également un producteur avisé, notamment dans le domaine du film d'animation fantastique (James et la pêche géante ; L'Etrange Noël de M. Jack ; Numéro 9, etc.).

En 2010, Tim Burton poursuit sa collaboration avec Johnny Depp et Helena Bonham Carter (sa femme, rencontrée sur le tournage de La Planète des singes), en leur offrant deux des rôles principaux de sa relecture d'Alice au Pays des Merveilles, où il dirige la jeune Mia Wasikowska. Après cette production qui est l'un des plus gros succès de tous les temps (un milliard de dollars au box office mondial), le cinéaste se plonge dans une libre adaptation d'un feuilleton des années 60. Dans Dark Shadows (2012), il transforme ainsi Johnny Depp en vampire, dans une comédie macabre où la thématique de la malédiction côtoie celle du disco...

En 2014, avec Big Eyes, il change radicalement de sujet pour se lancer dans le biopic dédié à Walter et Margaret Keane, peintres célèbres dans les années 1960 pour leurs portraits d’enfants aux très grands yeux. Burton produit et réalise ce film, qui offre des premiers rôles à Amy Adams et Christoph Waltz. 2016 marque le retour du cinéaste dans le genre fantastique avec Miss Peregrine et les enfants particuliers. Burton raconte l'histoire de Jacob, un jeune homme qui découvre les indices et l’existence d’un monde mystérieux qui le mène dans un lieu magique : la Maison de Miss Peregrine pour Enfants Particuliers. 

Trois ans plus tard, le cinéaste revient avec Dumbo, remake en prises de vues réelles du chef-d’œuvre des studios d’animation Disney. Pour l’occasion, il fait appel à plusieurs acteurs qu'il connaît bien (Michael Keaton, Danny DeVito, Eva Green, etc.), ainsi qu'à Colin Farrell. Il se tourne ensuite vers le petit écran avec Mercredi pour Netflix, une série consacrée aux aventures de Mercredi Addams, campée par la très à la mode Jenna Ortega. Il livre ensuite, en 2024, la suite de Beetlejuice, Beetlejuice Beetlejuice, où il retrouve Keaton, Winona Ryder, Ortega, Catherine O'Hara et offre un rôle à Monica Bellucci, sa compagne.