Né en Californie d’une mère suédoise et d’un père japonais, Cary Fukunaga vit quelques temps au Japon mais aussi en France où il étudie la politique à Grenoble, après avoir obtenu un diplôme d’histoire à l’Université de Californie. Finalement, il retourne dans son pays et intègre le programme d’art de l’Université de New York. A partir de ce moment, le jeune homme ne va plus quitter le monde du cinéma.
Tour à tour caméraman, chef électricien et directeur de la photographie sur quelques courts métrages et documentaires, Cary Fukunaga réalise ses premiers courts dans le cadre de ses études new-yorkaises. En 2005, Victoria para chino remporte un prix au Festival de Sundance. C’est aussi le cas de Sin Nombre, son premier long métrage, qui en 2009 obtient le prix de la Meilleure réalisation dans ce même festival. Le film - une violente plongée dans le quotidien de deux jeunes mexicains cherchant à échapper à un redoutable gang -, remporte également le prix du jury du Festival de Deauville 2009.
Pour son second long métrage, Cary Fukunaga change diamétralement de registre en mettant en scène une énième version du classique de Charlotte Brontë : Jane Eyre. Il choisit Mia Wasikowska pour être son héroïne tandis que le rôle de Rochester est confié à Michael Fassbender. Cette même année, Fukunaga se tourne vers la télévision où il réalise les 8 épisodes de True Detective, une série HBO mettant en scène Woody Harrelson et Matthew McConaughey dans la peau de deux enquêteurs lancés à la poursuite d’un tueur en série. La première saison obtient de très bonnes critiques presse.
Il poursuit en 2015 avec Beasts of No Nation, premier film Netflix, qui traite du difficile sujet des enfants-soldats. Idris Elba y campe un chef de guerre sanguinaire avec brio. Puis, le metteur en scène revient au petit écran avec la série Maniac, où Emma Stone et Jonah Hill servent de cobayes à un essai pharmaceutique qui tourne mal et trouvent refuge dans un monde imaginaire... Parallèlement, il continue son activité de producteur, comme en témoigne son travail sur les autres saisons de True Detective et sur The Alienist, une série policière se situant dans le New York du 19ème siècle.
En 2018, Cary Fukunaga est choisi pour remplacer Danny Boyle à la mise en scène de Mourir peut attendre, 25ème James Bond produit par EON Productions, emmené par l'infatigable Daniel Craig. Le blockbuster à 250 millions de dollars sort en salles en octobre 2021, après avoir été décalé plusieurs fois en raison de la pandémie de Covid-19.