Passionné de cinéma depuis son plus jeune âge, Park Chan-wook crée lors de ses études à l'Université de Sogang le club Movie Gang. Son diplôme de philosophie en poche, il en profite pour publier plusieurs essais critiques sur le cinéma avant de signer son premier long métrage en 1992 : Moon Is... The Sun's Dream, un film de gangsters se déroulant à Busan, l'une des plus grandes villes de Corée du Sud. Le film est un échec cuisant et l'aspirant cinéaste revient en 1994 vers la critique cinéma. Il publie un recueil de ses articles avant de retenter l'expérience de la réalisation en 1997 avec Trio, un portrait comique de trois personnages hors-la-loi.

En 2000, le thriller JSA (Joint Security Area) l'impose comme l'un des cinéastes majeurs du nouveau cinéma coréen. Le film, relatant une enquête sur un meurtre perpétré sur le pont du Non-Retour, à la frontière de la Corée du Nord et de la Corée du Sud, reçoit plusieurs récompenses dont le Prix du meilleur film et du meilleur réalisateur au Festival du Film asiatique de Deauville. Il attire plus de cinq millions de spectateurs en Corée du Sud et devient l'un des plus gros succès au box-office national.

2002 est une année clé pour le cinéaste qui parvient à concrétiser un projet de longue date : Sympathy for Mr. Vengeance, soit la descente aux enfers d'un homme ayant kidnappé une petite fille dans l'espoir de soigner sa soeur avec l'argent de la rançon. Un an plus tard, Park Chan-Wook poursuit sur la thématique de la vengeance en adaptant le manga Old Boy avec Choi Min-sik dans le rôle principal. Sélectionné en Compétition à Cannes (l'année où Quentin Tarantino est Président du Jury), le film obtient le Grand Prix et consacre au passage le réalisateur sur la scène internationale. L'histoire de cet homme kidnappé, emprisonné durant 15 ans puis relâché sans aucune raison apparente, a permis à Old Boy de s'imposer rapidement au rang de film culte.

Park Chan-wook signe ensuite le volet intitulé Cut du triptyque 3 extrêmes (auquel participent aussi le cinéaste japonais prolifique Takashi Miike et le chinois Fruit Chan). Il y met en scène un jeune cinéaste pris en otage avec sa femme par un dangereux psychopathe. Puis il achève sa "trilogie de la vengeance" avec Lady Vengeance, centré cette fois, comme son titre l'indique, sur un personnage féminin. Accusée du meurtre d'un petit garçon, l'héroïne entreprend de se venger à sa sortie de prison. Une oeuvre violente empreinte d'un humour noir incisif qui révèle tout le talent du cinéaste.

En 2007, il s'essaie à un registre plus léger avec Je suis un cyborg, une histoire d'amour à la fois loufoque et mélancolique entre deux patients d'un hôpital psychiatrique. Un film qu'il qualifie lui-même de "bouffée d'oxygène" entre ses différents projets et qui lui vaut d'être distingué à la Berlinale par le prix Aflred Bauer récompensant le film le plus novateur de la sélection. En 2009 sort sur nos écrans Thirst, ceci est mon sang, une audacieuse relecture de Thérèse Raquin d'Émile Zola avec... des vampires ! On y suit en effet la romance interdite entre un prêtre devenu une créature de la nuit et la femme de son ami. Il y dirige pour la quatrième fois son acteur fétiche Song Kang-Ho. Le long-métrage obtient le Prix du Jury au 62ème Festival de Cannes. 

Trois ans plus tard, le Coréen s'exporte aux USA pour la première fois avec Stoker. Il dirige dans ce thriller familial, écrit par Wentworth "Michael Scofield" Miller, Nicole Kidman et Mia Wasikowska. En 2016, il revient dans sa Corée natale avec le sulfureux Mademoiselle, adapté du roman de l'auteur britannique Sarah Waters, Du bout des doigts. S'il repart bredouille du Festival de Cannes où le film est en compétition officielle, le réalisateur revient l'année suivante sur la Croisette en tant que membre du jury, sous la présidence de Pedro Almodovar et aux côtés de Will Smith et Jessica Chastain. En 2018, Park Chan-wook se frotte à un nouveau format avec la mini-série d'espionnage britannique The Little Drummer Girl, portée par Alexander Skarsgård, Florence Pugh et Michael Shannon.

En 2022, ce fidèle du Festival de Cannes obtient le Prix de la Mise en scène pour Decision To Leave, thriller romantique aux influences Hitchcockiennes dans lequel un détective s'éprend d'une veuve qu'il soupçonne du meurtre de son mari.