Nació en 1900 en Clanda, España. Estudió el bachillerato con los jesuitas de Zaragoza y luego su padre lo envió a Madrid para que se hiciera ingeniero agrónomo. Providencialmente fue a parar a la Residencia de Estudiantes, lugar donde confluyeron algunos de los poetas y artistas más relevantes de la época, como Ramón Gómez de la Serna, Federico García Lorca o Salvador Dalí, con los que trabó fecunda amistad. De ese modo descubrió pronto que su auténtica vocación no era la ingeniería sino el arte.

Se decidió por la carrera de Filosofía y Letras, que pudo terminar en 1923; pero muy pronto se volcó a la labor cinematográfica, grabando junto a Salvador Dalí su primer filme, El perro andaluz (1929). A partir de la proyección de de esa película, Buñuel fue admitido de lleno en el grupo surrealista, que se reunía diariamente en el Café Cyrano para leer artículos, discutir sobre política y escribir cartas y manifiestos. Allí, Buñuel forjó amistad con Max Ernst, André Bretón, Paul Éluard, Tristan Tzara, Yves Tanguy, Magritte y Louis Aragon, entre otros.

En 1932 Buñuel se alejó de la corriente especulativa del surrealismo, aproximándose al ala comunista del movimiento, colaborando con la Asociación de Escritores y Artistas Revolucionarios. En los meses de abril y mayo rodó el documental Las Hurdes, fue prohibido por la censura por considerarlo denigrante para España. En 1935 fundó la productora Filmófono con Ricardo Urgoiti, y estrenaron Don Quintín el amargao y La hija de Juan Simón. Tras el inicio de la guerra cívil española fue trasladado a Francia por el Ministro de Asuntos Exteriores para coordinar misiones de propaganda.

En 1941 Buñuel ingresó en el Museo de Arte Moderno de Nueva York, como productor asociado en el área documental. Al año siguiente, fue nombrado supervisor de documentales por Nelson Rockefeller y solicitó la ciudadanía estadounidense. En octubre se publicó en inglés la Vida secreta de Salvador Dalí. La información contenida en este libro referente a Buñuel provocó un escándalo que obligó a Buñuel a dimitir de sus cargos al año siguiente.

En 1946, ya en México, rodo Gran Casino con Jorge Negrete, un gran fracaso. En 1949 Buñuel adoptó la nacionalidad mexicana. Al año siguiente rodó Los olvidados, que fue fríamente recibida y Susana. Del 8 de enero al 3 de febrero de 1951 filmó La hija del engaño. En abril inició el rodaje de Una mujer sin amor. En mayo se premó en Cannes a Los olvidados, siendo el redescubrimiento de Buñuel. En 1955 filmó Ensayo de un crimen, cuyo éxito le abrió las puertas de la cinematografía francesa. En 1956 rodóLa muerte de este jardín, una coproducción franco-mexicana y Nazarínen 1958, que recibió la Palma de Oro en Cannes.

En 1961 regresó Buñuel a España y dirigió Viridiana, por la cual recibió la Palma de Oro en Cannes.En 1962 dirigió El ángel exterminador, donde alude a Dalí. En 1963 dirige Diario de una camarera iniciándose la colaboración con el productor Serge Silberman y con el guionista Jean-Claude Carrière. En la película de Carlos Saura Llanto por un bandido, Buñuel interpreta el papel del verdugo, y en En este pueblo no hay ladrones de Alberto Isaac interpreta a un cura. El discreto encanto de la burgesía se rodó en 1972, y obtuvo el Oscar a la mejor película extranjera. En el mes de Junio de 1977 Buñuel terminó el rodaje de su última película: Ese oscuro objeto del deseo.

Falleció el 29 de julio de 1983 en la ciudad de México.