Werner Herzog grandit dans un village de Bavière où il n'y a aucun cinéma et ne possède ni télévision ni téléphone. Après des études d'histoire et de littérature, il décide de travailler de nuit comme soudeur pour financer son premier court métrage, Herakles, qu'il réalise à l'âge de 19 ans. En 1968, il réalise son premier long métrage, Signes de vie qui obtient un Prix spécial au Festival de Berlin. Le jeune cinéaste met ensuite en scène une révolution très spéciale dans Les Nains aussi ont commencé petits (1970) avant de partir filmer le désert du Sahara avec Fata Morgana (1971).

Son travail est reconnu internationalement grâce à Aguirre, la colère de Dieu, film réalisé en 1972 mais qui sort en 1976, Prix du syndicat de la critique française et nommé au César du meilleur film étranger. Il devient l'un des chefs de file du cinéma allemand avec Volker Schlöndorff, Reinhard Hauff ou encore Rainer Werner Fassbinder. Avec Aguirre, la colère de Dieu, le cinéaste connaît bien des péripéties : le tournage est notamment marqué par les relations très tendues entre le réalisateur et le comédien Klaus Kinski que Werner Herzog a notamment qualifié d'"hystérique".

Herzog présente L'Enigme de Kaspar Hauser au Festival de Cannes et remporte trois prix dont celui du Jury. Le cinéaste sui ensuit le parcours de trois hommes allemands en situation précaire avec La Ballade de Bruno (1977) avant de tourner à nouveau avec Klaus Kinski dans Woyzeck (1979) ou encore dans Nosferatu fantome de la nuit avec Isabelle Adjani. Avec ce remake du Nosferatu de Murnau, il se pose en héritier du réalisateur. Le cinéaste allemand part ensuite tourner à l'étranger : au Pérou (Fitzcarraldo, 1982), en Australie (Le Pays où rêvent les fourmis vertes, 1984) ou en Colombie et au Ghana (Cobra Verde, 1987).

Dans les années 90, il réalise plusieurs documentaires à la télévision dont Ennemis intimes (1999), portrait de son comédien fétiche Klaus Kinski. En 2000, il réalise Invincible, un drame qui se joue dans un cabaret berlinois durant le IIIème Reich, qu'il présente au Festival de Venise 2001. Herzog poursuit sa carrière de documentariste avec Wheel of Time (2003) sur le Dalaï Lama puis The white diamond (2004) sur un ingénieur qui crée un ballon dirigeable pour survoler les forêts de Guyane. Il exprime sa passion pour les grands espaces avec son film Grizzly man (2005), qui retrace la vie du documentariste Timothy Treadwell.

Il retourne à la fiction avec le film de guerre Rescue Dawn (2006) porté par Christian Bale, qui sort directement en DVD en France. Herzog passe de l'autre côté de la caméra et apparaît dans Mister Lonely d'Harmony Korine. En 2008, le Centre Pompidou lui rend hommage à travers une grande rétrospective de ses films où il présente son dernier documentaire Rencontres au bout du monde (2007), nominé pour l'Oscar du Meilleur documentaire.

En 2009, Herzog présente deux films au festival de Venise : tout d'abord Bad Lieutenant : Escale à la Nouvelle-Orléans, un remake du film d'Abel Ferrara et dans lequel Nicolas Cage tient le rôle-titre ; puis Dans l'oeil d'un tueur avec Michael Shannon et Willem Dafoe. Le cinéaste renoue ensuite avec le documentaire et tourne les très brillants La Grotte des rêves perdus (2011), évoquant la préhistoire et Into the Abyss (2012), centré sur le système pénitencier américain, avant d'apparaître dans le blockbuster Jack Reacher aux côtés de Tom Cruise, dans la peau d'un redoutable méchant.