Etudiant en architecture à l'Université de Sao Paulo, Fernando Meirelles produit en parallèle ses premières vidéos expérimentales, qui conduisent à la création de la société de production indépendante Olhar Electrônico. Récompensés de nombreux prix, Fernando Meirelles et son équipe deviennent rapidement une référence, tant en cinéma qu'en télévision. C'est à la fin des années 80 qu'il troque la vidéo contre la pellicule et devient l'un des réalisateurs de publicité les plus célèbres de son pays.

En 1998, il co-réalise son premier long métrage Menino Maluquinho 2 : a aventura, une comédie familiale, puis Domesticas en 1999 sur la vie quotidienne de cinq femmes de ménage à Sao Paulo. Son troisième film, intitulé La Cité de Dieu, où il aborde de manière réaliste et esthétique la violence des favelas, remporte un très vif succès dans son pays et reçoit les Grands Prix brésiliens de Meilleur film et Meilleur réalisateur en 2002. De ce long métrage découlera la série télévisée La Cité des hommes, également produite par Fernando Meirelles.

Fort de cette réussite, ce dernier ne tarde pas à tenter sa chance aux Etats-Unis. C'est ainsi qu'il se retrouve en 2004 à diriger Ralph Fiennes et Rachel Weisz dans le thriller The Constant gardener, adapté du roman éponyme de John Le Carré. En 2008, il signe donc la production de La Cité des hommes, puis produit la même année Les Toilettes du Pape et réalise son quatrième long métrage, Blindness, un drame fantastique relatant une épidémie de cécité qui s'empare des Etats-Unis, pour lequel il dirige Julianne Moore et Mark Ruffalo.

Réalisateur brillant et atypique, Meirelles est donc aussi producteur. Entre 2003 et 2010, il produit ainsi une dizaine de films dont des documentaires, comme Ginga en 2005 et Waste Land en 2010. En 2012, il revient derrière la caméra pour le film choral 360, pour lequel il dirige notamment Anthony Hopkins, Jude Law et Rachel Weisz.