Tony Gatlif passe son enfance à Alger avant de se rendre en France dans les années 60. Il y connaît un parcours chaotique et finit par atterrir dans une maison de redressement (une expérience qui va lui servir pour l'écriture de son premier scénario : La Rage au poing). La journée, il passe son temps au cinéma. En 1966, il fait une rencontre déterminante : il se rend dans la loge de Michel Simon après l'une de ses représentations. L'acteur lui écrit une recommandation pour son imprésario. Le jeune homme suit ensuite des cours d'art dramatique à Saint-Germain-en-Laye où il apprend ses textes en phonétique. Après avoir joué dans des pièces de théâtre, il réalise son premier film en 1975, La Tête en ruine. Il enchaîne avec La Terre au ventre qui a pour toile de fond la guerre d'Algérie.

A partir de 1981, le cinéaste commence à traiter son thème de prédilection : il tourne en Espagne Corre gitano, le premier film qui revendique la condition gitane. Il réalise ensuite une trilogie sur ce peuple au destin mouvementé. Le premier volet évoque un groupe de gitans sédentarisés en banlieue parisienne : Les Princes (1983), titre qu'il reprendra pour fonder sa propre société de production Princes films. Il enchaîne avec un voyage à travers l'Andalousie, l'Egypte, la Roumanie, la Hongrie et la France, Latcho Drom, un hymne à la musique tsigane très remarqué à Cannes. Le dernier film de sa trilogie est Gadjo Dilo avec Romain Duris et Rona Hartner, révélée par le film. Le couple se retrouve en 1998 pour Je suis né d'une cigogne.

Tony Gatlif retrouve Romain Duris avec Exils, un retour sur la terre de son enfance, l'Algérie. Le film a par ailleurs remporté le Prix de la mise en scène au festival de Cannes 2004. Il revient sur la Croisette en 2006 avec Transylvania, présenté en clôture du festival. Il faut ensuite patienter quatre ans avant de voir Tony Gatlif présenter un nouveau film : Liberté, qui offre à Marc Lavoine le rôle d'un "Juste" qui s'évertue à protéger un groupe de tziganes durant la Seconde Guerre mondiale. En 2012, le réalisateur abandonne le monde des gitans pour se consacrer à Indignados, un film documentaire sur l'Europe des Indignés, ces manifestants qui se rassemblent contre les injustices de la société.

Il retrouve l'univers des gitans en 2014 avec Geronimo, dans lequel il fait essentiellement jouer des acteurs inexpérimentés. Rythmé par la danse, le film traite de thèmes liés au monde de la rue, dans lequel des jeunes cherchent la liberté. Un film engagé, dont le réalisateur puise l’inspiration dans son histoire personnelle. Il revient trois ans plus tard avec Djam, un film sur l’exil dans lequel la prometteuse Daphne Patakia erre sur la frontière entre la Grèce et la Turquie. En 2021 sort Tom Medina, qui suit un jeune délinquant (dont le parcours ressemble à celui du cinéaste dans ses jeunes années) qui cherche à se réinsérer dans une Camargue sauvage et mystique.