Son éducation calviniste à la sévérité extrême marque profondément son existence et son oeuvre. Découvrant le cinéma sur le tard, sa famille lui interdisant de fréquenter les salles obscures, il se consacre tout d'abord à la critique. Il signe la monographie Transcendental Style : Ozu, Bresson, Dreyer avant d'entamer une brillante carrière de scénariste avec le script de Yakuza (Sydney Pollack, 1975).

Paul Schrader doit sa célébrité à sa collaboration avec Martin Scorsese, qui débute en 1976 avec Taxi Driver et se poursuit en 1980 (Raging Bull), 1988 (La Derniere Tentation du Christ) et 1999 (A tombeau ouvert). Le scénariste prête également sa plume à Brian De Palma (Obsession), Peter Weir (Mosquito Coast) ou encore Harold Becker (City Hall).

En 1978, il fait ses débuts de réalisateur avec Blue Collar, où il s'intéresse aux rapports de classe dans l'industrie américaine. L'année suivante, Hardcore plonge le spectateur, et son héros interprété par George C. Scott, dans le monde de la pornographie. Oscillant entre rigorisme moral et fascination pour les interdits, l'oeuvre de Schrader explore les tabous. Celui de la prostitution masculine (American gigolo avec Richard Gere), de la dévoration La Feline, le remake du film de Jacques Tourneur) ou encore le suicide (Mishima, consacré à la vie et la mort de l'écrivain japonais). Profondément influencé par Robert Bresson, il lui rend explicitement hommage dans Light Sleeper, avec Willem Dafoe.

En 1999, Paul Schrader porte à l'écran le roman de Russell Banks Affliction, où il retrouve Willem Dafoe. Il signe ensuite Les Amants éternels une histoire d'amour et de trahison, plus récemment il retrace la vie de Bob Crane, acteur principal de la série "Papa Schultz" dans Auto focus. 

En 2003, le réalisateur fait parler de lui suite à son éviction par la Morgan Creek Productions  du prequel du film L'Exorciste qu'il réalisait. Remplacé par Renny Harlin, le film sort sous le titre L'Exorciste : Au commencement et supprime toutes les prises de vues de Paul Schrader. Finalement, la version de ce dernier fait la première internationale du film fantastique de Bruxelles le 18 Mars 2005, sous le titre Dominion : Prequel to the Exorcist. 

En 2013, cinq ans après la réalisation de son dernier long-métrage Adam Resurrected, Paul Schrader fait son grand retour avec son nouveau projet The Canyons, étrange et sulfureux thriller dans lequel on retrouve Lindsay Lohan et l'ex-acteur pornographique James Deen dans les rôles principaux. Il poursuit en réalisant quatre thrillers plutôt violents : La Sentinelle (2015) et Dog Eat Dog (2017) portés par Nicolas Cage, Sur le chemin de la rédemption (2018) avec Ethan Hawke et The Card Counter (2021) avec Oscar Isaac (lequel a les honneurs d'une sortie dans les salles françaises).