Peter Greenaway débute sa carrière dans la peinture avant de se lancer dans l'écriture et l'illustration de livres. C'est à partir de 1965 que ce Gallois d'origine aborde le septième art, en officiant en tant que monteur au Central Office of Information mais également en réalisant de nombreux courts métrages expérimentaux.

En 1980, Peter Greenaway réalise The Falls, un premier long métrage étrange déjà porteur d'un ton et d'une originalité hors-norme. Deux ans plus, tard, le cinéaste britannique est révélé au niveau international avec Meurtre dans un jardin anglais, drame érotique sur fond d'art pictural. Suivent alors Le Ventre de l'architecte (1987), situé dans le monde de l'architecture, et le thriller Drowning by numbers (1988).

Peter Greenaway construit une carrière jalonnée d'oeuvres ambitieuses, expérimentales, souvent cruelles et violentes, dont la mise en scène privilégie la lenteur et le sublime jusqu'à créer un malaise chez le spectateur. L'art et une certaine fascination pour les nombres sont également souvent au coeur de ses films. Ainsi, l'action de The Falls met en lumière 92 personnes dont le nom débute par Fall... et The Tulse Luper suitcases est centré autour du contenu des 92 mystérieuses valises d'un criminel récidiviste.

Parmi les longs métrages les plus remarqués de Peter Greenaway figurent notamment Le Cuisinier, le voleur, sa femme et son amant (1989), Prospero's Books (1991), adapté de La Tempête de William Shakespeare, The Baby of Macon (1993) ou encore The Pillow Book (1996), un drame avec la calligraphie corporelle en toile de fond et Ewan McGregor au casting. En 1998, le cinéaste britannique signe 8 Femmes 1/2, drame érotique emmené par Amanda Plummer. 2003 marque la sortie de The Tulse Luper suitcases, porté par un casting prestigieux (J.J. Feild, William Hurt, Kathy Bates, Madonna...), présenté en compétition à Cannes, et premier volet d'une trilogie annoncée sur la vie du criminel Tulse Luper. Les deux autres volets de la trilogie sortent l'année suivante.

Hormis un court-métrage réalisé dans le cadre du film à sketches Visions of Europe en 2004, il faut attendre 2007 avant de voir de nouveau Peter Greenaway aux commandes d'un nouveau long-métrage, La Ronde de nuit, évocation d'un pan de la vie de Rembrandt, dans lequel il dirige le comédien anglais Martin Freeman dans le rôle du célèbre peintre. Le cinéaste continue son exploration de l'oeuvre du peintre hollandais dans le documentaire Rembrandt's J'accuse...!, où il se prête à une analyse détaillée du tableau de "La Ronde de Nuit". 

Ces dernières années, Peter Greenaway s'illustre surtout dans la réalisation de projets lorgnant vers l'expérimental à l'image du film collectif 3x3D dans lequel il s'interroge sur le nouveau rapport aux images en 3D aux côtés de Jean-Luc Godard et Edgar Pêra. Le réalisateur continue également de développer des projets de longs-métrages de fiction pour le moins singuliers comme Goltzius et la Compagnie du Pélican en 2012, biopic sur le peintre Hendrik Goltzius, dans lequel il fait preuve de trouvailles visuelles toujours plus originales. Pour ce film, Peter Greenaway fait appel à un casting pour le moins cosmopolite emmené par l'Américaine Kate Moran, l'Italien Pippo Delbono ou encore la Néerlandaise Halina Reijn.

En 2015, Peter Greenaway rend de nouveau hommage à une grande figure de la scène artistique occidentale, Sergueï Einsenstein, dans Que viva Einsenstein !, récit du tournage inachevé de Que Viva Mexico ! par le célèbre cinéaste soviétique en 1931. Pour ce long-métrage emmené par les quasi inconnus Elmer Bäck et Luis Alberti, Greenaway rend a les honneurs de la prestigieuse berlinale puisque le film y est présenté en compétition officielle.