Diplômé de l'IDHEC, Francois Dupeyron se fait un nom dès ses premiers courts métrages, notamment La Nuit du hibou et Lamento, qui remportent chacun le César du meilleur court métrage, respectivement dans la catégorie documentaire, en 1985, et de fiction, en 1989. La même année, il tourne son premier long métrage, Drôle d'endroit pour une rencontre qui réunit Deneuve et Depardieu et qui est nommé au César de la meilleure première oeuvre.

Après le demi échec d'Un coeur qui bat en 1991, il s'essaie au thriller fantastique avec La Machine en 1994, offrant par ailleurs à Didier Bourdon son premier rôle dramatique, puis tourne C'est quoi la vie? avec Eric Caravaca qu'il retrouve en 2001 pour La Chambre des officiers. Evoquant le destin des gueules cassées de la Première Guerre mondiale, le film est présenté en compétition au Festival de Cannes 2001 et permet à François Dupeyron d'obtenir une nomination comme meilleur réalisateur aux César l'année suivante.

Auteur du scénario de tous ses films, François Dupeyron a également coécrit Le Fils Préféré avec Nicole Garcia ou encore Un pont entre deux rives pour Gérard Depardieu. En 2002, il s'attaque à l'oeuvre d'Eric-Emmanuel Schmitt, Monsieur Ibrahim et les fleurs du Coran, un succès théâtral qu'il adapte pour le grand écran avec la complicité d' Omar Sharif en épicier philosophe, et un César du Meilleur Acteur à la clé pour le comédien, en 2004.

François Dupeyron se penche ensuite sur l'immigration clandestine dans Inguelezi, affirmant ainsi son désire de cinéma social. En 2008, il adopte malgré tout un registre plus léger et réalise Aide-toi, le ciel t'aidera, où il dépeint avec tendresse le quotidien des habitants d'une cité. Après avoir terminé Trésor, ultime long métrage (inachevé) de Claude Berri, il revient sur grand écran en 2013 avec Mon âme par toi guérie, qui sera sa dernière réalisation. Un film dans lequel il dirige notamment Grégory Gadebois, acteur vu ensuite dans Au plus près du soleil (2015), dont François Dupeyron co-écrit le scénario avec le metteur en scène Yves Angelo.