Natif de Brooklyn, Darren Aronofsky grandit dans une famille juive traditionnelle, mais il se détourne assez vite de la religion pour s'intéresser à l'art. Il étudie les techniques de réalisation et d'animation à la prestigieuse université d'Harvard, où il rencontre le futur interprète de Pi, Sean Gullette, avec qui il tourne son court métrage de fin d'études, Supermarket Sweep. Grâce à ce film, il entre à l'American Film Institute où il reste deux ans. En 1996, il parvient à rassembler les 60 000 dollars nécessaires, grâce à ses amis et ses proches, à la réalisation de Pi qui lui permet de remporter le prix de la mise en scène au Festival Sundance en 1988.

Fort de ce succès, il décide d'adapter le roman "Last Exit to Brooklyn" d'Hubert Selby Jr. dans Requiem for a Dream. Véritable descente aux enfers liée à la drogue et autres dépendances, le film se fait immédiatement remarquer grâce à ses effets de montage et son thème composé par Clint Mansell. Devenu un réalisateur culte pour bon nombre de jeunes cinéastes après seulement deux films, Darren Aronofsky s'éloigne des rues de New York pour écrire une fable fantastique autour de l'immortalité. Il met alors plus de six années à produire et réaliser The Fountain, présenté au Festival de Venise en septembre 2006. Il y dirige notamment sa fiancée, l'actrice Rachel Weisz.

Divisant autant le public que la critique, le film ne rencontre pas le succès de Requiem for a Dream. Aronofsky se relance alors avec un projet moins personnel, The Wrestler, dont le scénario tourne à Hollywood depuis quelques années. Porté par un Mickey Rourke renaissant dans le rôle d'un vieux catcheur, le film séduit grâce à une mise en scène bien plus âpre et retenue que par le passé. Récompensé par le Lion d'Or à Venise, il permet aussi à Rourke de retrouver une place de choix à Hollywood en gagnant le Golden Globe du meilleur acteur en 2009.

Deux ans après, le cinéaste signe un thriller sur le monde de la danse et des ballets, Black Swan, qui place Natalie Portman et Vincent Cassel en haut de l'affiche. Le film est encensé par les critiques.

En 2014, il réalise son premier péplum, Noé, adapté de l'épisode biblique du Déluge et de L'Arche de Noé, avec Russell Crowe et Jennifer Connelly, qui collaborent de nouveau ensemble, treize ans après Un homme d'exception. C'est également l'occasion pour l'actrice américaine de retrouver le réalisateur qui l'avait dirigée dans Requiem for a Dream (2001).