Diplômé en mathématiques et en physique, Paul Verhoeven découvre sa vocation de cinéaste lors de ses études à l'université de Leiden en réalisant plusieurs courts métrages. Lors de son service militaire au sein de la Royal Dutch Navy, il réalise à la demande de l'armée un documentaire pour le tricentenaire de la Marine Hollandaise. Par la suite, il travaille pour la télévision où il se fait remarquer avec Floris, une série d'aventures en douze épisodes se déroulant au Moyen-Âge où l'on découvre Rutger Hauer, qui deviendra son acteur fétiche.

En 1971, il réalise son premier long métrage, la comédie Business is Business. Deux ans plus tard, son second film, Turkish Delices est un succès international. Malgré son caractère provocateur et érotique le film obtient une nomination à l'Oscar du Meilleur Film Etranger. Verhoeven poursuit sa carrière aux Pays-Bas en réalisant plusieurs longs métrages dont Le Choix du destin. Il revient à ses thèmes de prédilection que sont l'érotisme et la violence avec Spetters puis Le Quatrieme Homme en 1983, un thriller où il ose une version fantasmée du catholicisme et pour lequel il reçoit le Los Angeles Critics Award. Le succès international de ses films l'encourage à s'installer aux Etats-Unis.

En 1985, il écrit et met en scène son premier long métrage américain, l'épopée médiévale La Chair et le sang où viols, massacres, peste et famine jalonnent l'histoire de cette bande de mercenaires barbares. C'est une période faste qui s'ouvre pour Verhoeven deux ans plus tard avec Robocop, qui est un triomphe commercial dans le monde entier. Les succès s'enchaînent, que ce soit Total recall avec la présence musclée d'Arnold Schwarzenegger, ou le sulfureux thriller érotique Basic instinct qui provoque le scandale au Festival de Cannes et établit Sharon Stone en sex symbol interplanétaire grâce à un interrogatoire très osé.

Cependant en 1996, Showgirls, une critique acide du milieu du spectacle et plus largement du rêve américain, subit les foudres de la critique et ne convainc pas le public. Si le film est réhabilité bien des années plus tard, il est à l'époque le lauréat de six Razzie Awards, que Paul Verhoeven est allé lui-même, avec humour, récupérer sur scène. 

Avec la satire Starship Troopers en 1998, Verhoeven renoue avec le succès. En 2000, il se tourne une nouvelle fois vers le cinéma fantastique avec Hollow Man, l'homme sans ombre, une variation sur l'homme invisible. Si le succès au box-office est au rendez-vous, l'accueil critique est plutôt négatif et le réalisateur lui-même n'est pas satisfait du résultat. Une expérience qui marque une rupture dans sa carrière et le pousse, après plus de vingt ans passés aux Etats-Unis, à revenir dans son pays natal.

Il y signe en 2006 Black Book, à la fois film d'espionnage et histoire d'amour situé durant la Deuxième Guerre mondiale et porté par Carice van Houten. Après l'expérimental Tricked écrit en collaboration avec des internautes, c'est en France que le réalisateur pose ses valises. Toujours désireux de sonder l'ambiguïté de l'âme humaine et de mettre en scène des figures féminines singulières, il réalise en 2016 Elle, sur une femme violée (Isabelle Huppert, récompensée par un Golden Globe) qui traque son agresseur, puis Benedetta, portrait d'une nonne lesbienne (Virginie Efira) ayant vécu au XVIIème siècle.