Fils d'un géologue suisse et d'une Allemande, Barbet Schroeder grandit en Colombie. Lorsque ses parents se séparent, il part à Paris avec sa mère. Etudiant en philosophie à La Sorbonne, il se lie avec les jeunes Turcs de la Nouvelle Vague. Critique aux Cahiers du cinéma en 1958, il est proche de l'aîné de la bande, Eric Rohmer, en compagnie duquel il fonde en 1962 la maison de production Les Films du Losange. Dans les années 60, il se consacre surtout à son activité de producteur, et fait l'acteur à l'occasion, pour ses amis Rouch (le sketch de Paris vu par...) ou Rohmer (La Boulangère de Monceau).

Ce n'est qu'en 1969 que Barbet Schroeder réalise son premier long métrage, en anglais, More, l'histoire d'un couple qui plonge dans l'enfer de la drogue. Il part ensuite en Nouvelle-Guinée où il tourne des documentaires et La Vallee (1972), film-trip dont la musique a été composée, comme le précédent, par Pink Floyd. Ce cinéaste globe-trotter se plaît aussi à sauter la frontière documentaire/fiction. Auteur en 1974 d'un saisissant portrait du dictateur africain Idi Amin Dada, il réalise deux fictions françaises qui témoignent de son goût pour les personnages obsessionnels, Maîtresse (1976) avec sa compagne Bulle Ogier et le tout jeune Depardieu entraînés dans une relation sadomasochiste, et Tricheurs (1984), sur la passion dévorante du jeu.

Amoureux depuis toujours du cinéma américain, Barbet Schroeder part aux Etats-Unis au milieu des années 80. Il y écrit en compagnie de Charles Bukowski le scénario de Barfly, autour de la dérive d'un poète alcoolique, qu'interprètera Mickey Rourke dans l'un de ses rôles les plus marquants. En 1990, Schroeder est nommé à l'Oscar et aux Golden Globes pour son enquête sur Mystère von Bulow, qui vaut également l'Oscar et le Golden Globe du Meilleur acteur à Jeremy Irons. Se revendiquant artisan plutôt qu'artiste, il met son savoir-faire au service de thrillers comme JF partagerait appartement (1992) ou Kiss of Death (remake du Carrefour de la mort en 1995), qui se signalent par leur efficacité (L'Enjeu avec Andy Garcia et Michael Keaton) ou par leur finesse psychologique (Before and After).

Ayant abandonné la production, mais continuant de jouer la comédie lorsque ses amis Tim Burton, Jacques Rivette ou Wes Anderson le lui demandent, Barbet Schroeder repart en 1999 dans la Colombie de son enfance pour y tourner, d'après un scénario de Fernando Vallejo, le décapant La Vierge des tueurs, un des premiers longs métrages tournés en HD numérique. Après un nouveau polar hollywoodien, Calculs meurtriers avec Sandra Bullock (2002), cet inconditionnel de Fritz Lang, fasciné par les personnages ambigus, réalise un documentaire sur l'avocat Vergès, primé aux César en 2008. La même année est présenté à la Mostra de Venise Inju, la bête dans l'ombre, un thriller tourné cette fois au Japon, avec un acteur français, Benoît Magimel.

En 2009, Barbet Schroeder traverse de nouveau l'Atlantique mais cette fois pour la télévision puisqu'il réalise un épisode de la troisième saison de la série culte Mad Men. Les années qui suivent sont davantage marquées par des apparitions du cinéaste comme acteur dans différents films français. On le croise ainsi comme patron de Benoît Magimel dans le thriller L'Avocat de Cédric Anger ou en médecin soignant Bertrand Bonello dans l'ovni cinématographique Le Dos Rouge réalisé par Antoine Barraud. Toujours dans le registre expérimental, il apparaît également dans Par exemple, Electre de Jeanne Balibar et Pierre Léon.

En 2015, le cinéaste revient au cinéma avec un nouveau film après sept ans d'absence. Dans Amnesia, Barbet Schroeder convoque les figures du passé de sa propre mère en filmant Marthe Keller isolée dans une maison à Ibiza rappelant ainsi son premier film, More.