Après des études cinématographiques à l'IDHEC, Pierre Granier-Deferre apprend le métier de cinéaste en tant qu'assistant-réalisateur, notamment aux côtés de Marcel Carné. Il signe en 1962 son premier long métrage, Le petit garçon de l'ascenseur, puis dirige Lino Ventura et Charles Aznavour dans le film policier La Métamorphose des cloportes.
C'est dans les années 70 que Granier-Deferre se révèle véritablement, grâce à sa collaboration avec Jean Gabin, d'abord dans La Horse (1970), puis dans Le Chat (1971). Durant trois décennies, Pierre Granier-Deferre, passionné d'écriture, réalise plus d'une vingtaine de films, se spécialisant plutôt dans le polar et dirigeant les plus grands : Alain Delon dans La Veuve Couderc (1971), La Race des seigneurs (1974) et Le Toubib (1979), Lino Ventura dans Adieu poulet (1975), Simone Signoret dans Le Chat (1971) et La Veuve Couderc (id.) ou encore Romy Schneider dans Une Femme à sa fenêtre (1976).
Dès le début des années 80, Pierre Granier-Deferre gagne la reconnaissance de ses pairs. En effet, Une étrange affaire (1981) vaut à Nathalie Baye le César de la Meilleure actrice dans un second rôle, et le Prix Louis-Delluc revient au cinéaste. Deux ans plus tard, ce dernier obtient le César du Meilleur scénario adapté pour L'Etoile du Nord, emmené par deux fidèles complices, Simone Signoret et Philippe Noiret.
Se consacrant de plus en plus à sa passion pour les œuvres de Georges Simenon, il signe en 1995 le long métrage Le Petit garçon. Il se lance ensuite dans l'écriture et la réalisation de nombreux épisodes de la fameuse série policière Maigret. En 2006, Florence Moncorgé-Gabin, la fille de son ancien comparse Jean Gabin, fait appel à ses talents de scénariste pour co-écrire avec elle son film Le Passager de l'été. Un an plus tard, le cinéaste tombe malade et nous quitte après plusieurs semaines d'hospitalisation, laissant derrière lui une carrière cinématographique de 56 ans.