Né le 30 mai 1970 à Naples, Paolo Sorrentino débute dans le milieu du cinéma en coécrivant le scénario du film Polvere di Napoli d'Antonio Capuano, en 1998. Ce premier script sera aussi le dernier qu'il écrira pour un autre metteur en scène, car il écrit et réalise lui-même ses propres films par la suite, et ce dès 2001, année au cours de laquelle il s'essaie coup sur coup au court (La Notte lunga) et au long métrage, avec L'Uomo in più, une comédie dramatique dans laquelle Toni Servillo interprète le personnage principal.

Ce film marque alors le vrai début de sa carrière de réalisateur, en même temps que celui de sa collaboration avec son acteur fétiche, Toni Servillo, qu'il retrouve quatre ans plus tard pour le drame Les Conséquences de l'amour. En compétition à Cannes en 2004, il remporte le Grand Prix du Festival du Film Romantique de Cabourg la même année, et le révèle sur la scène internationale. Devenu familier de la Croisette, le metteur en scène revient y présenter L'Ami de la famille (2006), puis Il Divo (2008), un film à teneur politique qui lui vaut de repartir auréolé du Prix du Jury.

En 2010, il revient avec la comédie Question de coeur, dans laquelle il va mettre en scène deux hommes devenant ami sur un lit d'hôpital. L'année suivante, il crée la surprise à Cannes avec le film This Must Be the Place, l'histoire d'une ancienne star du rock un peu à part et interprétée par Sean Penn : ce film y reçoit le Prix du Jury Oecuménique. La même année, Paolo Sorrentino ajoute également une corde à son arc puisqu'il publie son premier roman, "Ils ont tous raison", récit d'un chanteur italien vieillissant en plein spleen.

En 2013, Paolo Sorrentino est de nouveau sélectionné à Cannes pour son nouveau film, La Grande Bellezza dans lequel il retrouve son acteur fétiche Toni Servillo dans la peau d'un écrivain romain désabusé. Pour ce que certains voient comme un hommage à la mythique Dolce Vita de Federico Fellini, Paolo Sorrentino reçoit un bel accueil des critiques bien que le film reparte bredouille du célèbre festival. Qu'importe puisque l'année suivante, le cinéaste italien remporte, avec ce film, l'Oscar ainsi que le Golden Globe du Meilleur Film étranger. Désormais reconnu à l'international pour son cinéma, il prend part au projet du film à sketches Rio, eu te amo pour lequel il réalise un segment avec Basil Hoffman et Emily Mortimer.

Après le succès de La Grande Bellezza, Paolo Sorrentino revient à Cannes en 2015 avec Youth, nouveau film en anglais dans lequel il dirige un casting hollywoodien cinq étoiles composé de Michael Caine, Harvey Keitel, Rachel Weisz, Paul Dano et Jane Fonda. Si le film divise les critiques, il reçoit néanmoins un accueil très favorable lors de sa présentation au public.