Fils de l'écrivain et résistant René Tavernier, le jeune Bertrand découvre le cinéma lors d'un séjour en sanatorium. Monté à Paris après-guerre, il y a pour camarade de lycée Volker Schlöndorff, qui lui fait connaître la Cinémathèque de la rue d'ULM. En cet âge d'or de la cinéphilie, il cofonde le ciné-club Nickel-Odeon, et collabore bientôt à différentes revues, notamment aux grandes rivales que sont les Cahiers et Positif. En 1961, il travaille comme attaché de presse auprès de Georges de Beauregard, le producteur de la Nouvelle vague, grâce auquel il réalise ses premiers courts métrages, Le Baiser de Judas et Une chance explosive, dans le cadre des films à sketchs Les Baisers et La Chance et l'amour, sortis en 1964. Après avoir poursuivi en indépendant son activité d'attaché de presse, il est co-scénariste pour Riccardo Freda - un cinéaste qu'il remplacera, 25 ans plus tard, sur le tournage de La Fille de d'Artagnan.

C'est seulement en 1973 qu'il tourne, dans le Lyon de son enfance, son premier long-métrage, L' Horloger de Saint-Paul adapté de l'oeuvre de Simenon. Ce polar aux accents sociaux, récompensé par le Prix Louis-Delluc et l'Ours d'argent à Berlin, marque aussi sa rencontre avec Philippe Noiret, qui deviendra son acteur-fétiche. Dès ses débuts, l'éclectique Tavernier alterne films d'époque (Que la fête commence, pour lequel il décroche le César du Meilleur réalisateur et du Meilleur scénario en 1976) et oeuvres contemporaines (Une semaine de vacances), en affichant une prédilection pour les sujets de société : il tourne en 1977 Le Juge et l'Assassin, réflexion sur les institutions et leurs excès répressifs avec un Galabru inattendu, puis en 1980 La Mort en direct, analyse prémonitoire des dérives de la télévision.

Imprégné de culture américaine -il est le co-auteur d'un dictionnaire de référence sur le cinéma d'outre-Atlantique-, Bertrand Tavernier adapte en 1980 un roman grinçant de Jim Thompson en resituant l'action dans l'Afrique coloniale (Coup de torchon), puis signe Autour de minuit, lettre d'amour au jazz. Si La Passion Béatrice a pour cadre la Guerre de Cent ans, ce sont des conflits plus contemporains qui hantent bientôt l'oeuvre du cinéaste : la Première Guerre mondiale dans La Vie et rien d'autre (1989) puis Capitaine Conan (1996), la Guerre d'Algérie dans le documentaire La Guerre sans nom, et l'Occupation dans Laissez-passer (2003), qui le voit également s'interroger sur son métier de cinéaste. Dans une veine plus intimiste, il tourne Un dimanche à la campagne, Prix de la mise en scène à Cannes en 1984, et Daddy Nostalgie, deux films tendres et pudiques sur les rapports filiaux -un thème qui lui est cher depuis son premier opus.

Dans les années 90, Bertrand Tavernier, qui déclara au critique Jean-Luc Douin que "les cinéastes sont des sismographes de leur époque", continue d'ausculter la société : dépeignant avec réalisme le quotidien de la Brigade des stups dans L 627 et celui d'un instituteur (Philippe Torreton) dans Ca commence aujourd'hui, il reçoit en 1995 l'Ours d'or à Berlin pour L'Appât, constat alarmant sur la violence d'une jeunesse désorientée. Très au fait des dossiers qui agitent sa profession (défense de l'exception culturelle, combat contre la censure), il s'engage sur bien d'autres fronts, comme vient encore en témoigner le documentaire sur la double peine qu'il signe avec son fils Nils. Avec sa fille Tiffany, il co-écrit Holy Lola (2004), exploration de l'univers de l'adoption au Cambodge, mais aussi -pour la première fois dans son oeuvre- portrait sensible d'un couple d'aujourd'hui. C'est dans une Louisiane dévastée par l'ouragan Katrina qu'il part ensuite tourner Dans la brume électrique (2009), adaptation d'un polar de James Lee Burke avec Tommy Lee Jones. De retour de son escale américaine, il présente à la Compétition officielle de Cannes, sa Princesse de Montpensier, une plongée au cœur d'intrigues faites d'amour et de pouvoir dans la France du XVIe siècle, portée entre autres par Mélanie Thierry, Lambert Wilson et Gaspard Ulliel.

Trois ans plus tard, il adapte une bande-dessinée d'Antonin Baudry et Christophe Blain, Quai d'Orsay, et plonge le spectateur dans les coulisses du pouvoir politique français. En 2017, il consacre une saga documentaire au cinéma français, un récit didactique et pédagogique partant des années 30 jusqu'aux années 60, et ponctué d'anecdotes personnelles. Les deux premiers épisodes sortent en salles et sont acclamés par la critique. Huit autres sont ajoutés pour une version télévisée.