Né le 22 novembre 1940 à Lvov, en Pologne, Andrzej Zulawski grandit dans une famille d’artistes. Avec un père écrivain et ambassadeur, il est amené à voyager souvent. Il s’installe à Paris en 1957 où il étudie les sciences politiques à la Sorbonne et le cinéma à l’Idhec, pendant deux ans. Il retourne ensuite en Pologne pour apprendre la philosophie. Ses débuts au cinéma se font sur le tournage de Samson (1961) aux côtés d’Andrzej Wajda, dont il est l’assistant. Il travaille également sur les films L'amour à 20 ans (segment : Varsovie, en 1962) et Cendres (1965). Après deux téléfilms (Pavoncello et Le chant de l’amour triomphant), il réalise son premier long métrage en 1971, La troisième partie de la nuit, librement inspiré de l’expérience de son père pendant la Seconde guerre mondiale. Il y dirige son épouse, la comédienne Malgorzata Braunek, qui tiendra également un rôle, un an plus tard, dans son deuxième long, Le Diable. Trop violent pour la censure polonaise, le film est interdit. Pour cette raison, le cinéaste revient travailler en France.

A partir de 1978, il s'attelle à l’adaptation d’un roman de Christopher Frank, La Nuit américaine, qui deviendra L’important c’est d’aimer. Premier film français et grand public du cinéaste, L’important c’est d’aimer est porté par Romy Schneider, qui remportera le César de la meilleure actrice pour sa performance. Elle y campe Nadine, une comédienne qui, pour survivre, est contrainte de tourner des films pornographiques. Le succès du film permet au cinéaste de retourner en Pologne pour démarrer un projet ambitieux, Sur un globe d’argent. Ce film de science-fiction, adapté de l'oeuvre de son grand-oncle, Jerzy Zulawski, ne verra le jour que 10 ans plus tard, le gouvernement en place ayant mis à mal le projet en raison de son anticommunisme. Achevé, il sera finalement projeté au Festival de Cannes en 1988.

Alors qu’il se sépare de son épouse, Andrzej Zulawski écrit le scénario de Possession, son œuvre la plus célèbre. Incarné par Isabelle Adjani, qui joue une femme double, possédée par une force étrange, le film remporte de prestigieuses récompenses : prix de la critique au Festival de Cannes et deux prix d’interprétations pour Adjani (à Cannes et aux César). Le cinéaste poursuit son œuvre en France avec quelques thèmes récurrents à la forte dimension autobiographique. De La Femme publique (1984), mettant en scène la passion entre une actrice et son réalisateur, à Mes Nuits sont plus belles que vos jours (1989), dans lequel une femme s’éprend d’un homme plus âgé qu’elle… A cette époque, Zulawski fait la rencontre de Sophie Marceau, qui va devenir sa muse et sa compagne. Le cinéaste la dirige à quatre reprises : L’amour braque (1985), Mes Nuits sont plus belles que vos jours (1989), La Note bleue (1991) et La Fidélité (1999). Marceau et Zulawski se séparent en 2001, un épisode  douloureux que l’actrice et réalisatrice raconte dans Parlez-moi d’amour, sorti en salles en 2002.

Après 15 ans d'absence, il sort, en décembre 2015, un nouveau long métrage, Cosmos avec Sabine Azéma, Jean-François Balmer et Jonathan Genet.

Il est décédé dans la nuit du 16 au 17 février 2016, à 75 ans, des suites d'un cancer.