Abandonnant ses études, Claude Lelouch part effectuer des reportages dans le monde entier (Quand le rideau se lève, filmé illégalement en URSS en 1957).

Après avoir tourné plusieurs courts-métrages dans le cadre du Service Cinématographique des Armées, il fonde en 1960 sa propre maison de production, Les Films 13, et réalise son premier long métrage de fiction, Le Propre de l'homme, cuisant échec financier et critique. Si ses essais suivants ne sont guère remarqués (La Femme spectacle est même censuré en 1964), il obtient un succès d'estime avec Une fille et des fusils, inspiré des thrillers américains.

Mais c'est avec Un homme et une femme, dans lequel Jean-Louis Trintignant et Anouk Aimée vivent une passion amoureuse sur la plage de Deauville, que Claude Lelouch connaît brusquement la gloire en 1966. Palme d'Or au Festival de Cannes et couronné par deux Oscars, le film -qui donnera lieu à deux suites : 20 ans déjà puis Les Plus belles années d'une vie- étonne par son style pris sur le vif, dû à la spontanéité des comédiens (qui ne connaissent leurs répliques qu'au dernier moment) et à la virtuosité d'un filmage en caméra légère.

Cette méthode deviendra la marque de fabrique d'un cinéaste qui se frottera à différents genres, de la comédie sociale (Smic, Smac, Smoc) à la fresque historique (Toute une vie) en passant par le polar (Le Voyou en 1970). Adoptant le plus souvent un ton léger (L' Aventure c'est l'aventure et sa bande de Pieds Nickelés), il reste fidèle à la thématique des Hasards ou coincidences, titre d'un film de 1998.

Amoureux des acteurs, Claude Lelouch fait tourner les stars du cinéma français- Deneuve, Montand ou encore Belmondo dans Itinéraire d'un enfant gâté- mais fait aussi régulièrement appel à des comédiens non-professionnels, de Bernard Tapie à Patricia Kaas.

À l’intérieur de castings souvent pléthoriques, on note la présence de fidèles tels que Villeret (qu'il révèle dans Le Bon et les méchants en 1976), Huster et Charles Gérard. Brouillant les frontières entre réalité et fiction, le cinéaste filme volontiers les femmes de sa vie -Evelyne Bouix, Marie-Sophie L. et Alessandra Martines - dans des films-fleuves qui font s'entrecroiser les époques (Les Uns et les Autres, un de ses plus gros succès) et les intrigues sentimentales (Il y a des jours... et des lunes, Tout ça... pour ça !).

Se lançant régulièrement des paris fous, Claude Lelouch retrace la passion entre Piaf et Cerdan dans Edith et Marcel (1983), conte une histoire d'amour qui court sur 2000 ans dans La Belle histoire (1992) et transpose le chef-d’œuvre de Victor Hugo à l'époque contemporaine dans Les Misérables en 1994. Si ses audacieuses entreprises ne rencontrent pas toujours le public, il obtient au fil du temps la reconnaissance d'une partie de la critique. Réalisateur, scénariste, producteur, et parfois distributeur, Claude Lelouch se lance en 2004 un nouveau défi en échafaudant une trilogie intitulée Le Genre humain.

Mais après le cuisant échec du premier volet, il doit renoncer à ce projet. Meurtri, il tourne incognito son film suivant, Roman de gare, présenté en Séance spéciale à Cannes en 2007 avant de retrouver son actrice principale Audrey Dana, trois ans plus tard pour Ces amours-là, une fresque sentimentale emblématique de son œuvre, à laquelle il pense depuis 40 ans.

En 2011, Claude Lelouch fait le bilan de sa carrière au travers d'un documentaire nommé D'un film à l'autre, dans lequel il dresse un autoportrait composé d'extraits de films, d'interviews et de making-of. En 2014, il revient derrière la caméra pour tourner le long-métrage Salaud, on t'aime, dans lequel on retrouve deux artistes de légende en tête d'affiche : Johnny Hallyday et Eddy Mitchell.

Deux ans plus tard, il réalise la comédie romantique Un + une emmenée par Jean Dujardin et Elsa Zylberstein. A 80 ans passés, le réalisateur est toujours très actif. En témoignent ses nouvelles comédies : Chacun sa vie, Les Plus belles années d'une vie, La Vertu des impondérables et L'Amour c'est mieux que la vie, pour lesquelles il s'entoure à nouveau de comédiens de prestige (dont la plupart sont habitués à tourner pour le cinéaste).