Originaire d'Afrique du Sud, Neill Blomkamp emménage au Canada à 18 ans où il étudie à l'école de cinéma de Vancouver. Il débute ensuite en tant que spécialiste des effets visuels pour le cinéma et la télévision et travaille notamment pour la série Smallville et Stargate SG-1.

Il passe également à la réalisation en mettant en scène plusieurs clips et films publicitaires. Très vite remarqué par des grandes enseignes, il obtient de larges budgets pour des marques comme Nike et Citroën où ses voitures danseuses ont fait le tour du monde.

En 2005, âgé de 26 ans, Neill Blomkamp se distingue également avec son court métrage Alive in Joburg où il imagine, dans un style documentaire, la ville de Johannesburg aux proies à des problèmes d'immigration et d'intégration... d'extra-terrestres ! Il est alors choisi par Peter Jackson pour réaliser l'adaptation du jeu vidéo Halo.

Malgré quelques essais prometteurs, le film est annulé à cause d'un budget jugé excessif. Il se tourne alors vers un projet plus personnel, District 9, qui reprend la trame et le style de son court métrage Alive in Joburg tout en la développant. Doté d'un budget d'environ 30 millions de dollars, le film est rentabilisé dès son premier week-end d'exploitation aux Etats-Unis.

Neill Blomkamp retrouve ensuite son complice Sharlto Copley pour Elysium dont l’action se situe en 2154. Alors que la population pauvre tente de survivre sur une Terre dévastée, les riches sont partis s’installer sur une station spatiale high tech sans guerre ni maladie. Matt Damon et Jodie Foster tiennent les rôles principaux de ce film mêlant science-fiction et lutte des classes.

En 2015, le cinéaste poursuit dans son genre de prédilection avec Chappie, robot doué d'une raison et de sentiments, qui devra prouver sa valeur face à des personnes effrayées par cette avancée technologique. Neill Blomkamp retrouve à nouveau son acteur fétiche Sharlto Copley, qui prête sa voix et ses mouvements à Chappie, aux côtés d'Hugh Jackman, habitué des robots (après Real Steel).

Puis, Neill s'attaque à la réalisation de plusieurs courts métrages. Il est aussi pressenti pour être aux commandes d'un nouvel Alien et d'un nouveau Robocop, mais les choses ne se concrétisent pas. Il met en scène en 2020 son quatrième long métrage, Demonic, un film d'horreur et de SF qui sort directement en VOD. Trois ans plus tard, il livre Gran Turismo, une adaptation de la série de jeux vidéo du même nom.