Nació en París en 1933 el seno de un matrimonio de emigrantes judíos polacos. Su padre Ryszard Polański, pintor de escaso éxito, se cambió el apellido en 1932 y pasó a llamarse Ryszard Liebling, por lo que el nombre legal de Polański fue Rajmund Roman Thierry Liebling, hasta su retorno a Cracovia, a principio de julio de 1936, en donde recuperó su apellido original polaco y pasó a llamarse Rajmund Roman Thierry Polański. Por sus ancestros judíos, experimentó en carne propia los males de la Segunda Guerra Mundial. Durante la guerra perdió a su madre —católica, pero "clasificada racialmente" como judía por parte de padre— en el campo de concentración de Auschwitz, en algún momento de 1943, junto a otros familiares. Su padre pese a que estuvo también recluido dos años en el campo de concentración de Mauthausen-Gusen sobrevivió, convirtiéndose en uno de los pocos supervivientes polacos del Holocausto. Durante la guerra, Polański sobrevivió al gueto de Cracovia y luego, tras vivir como un mendigo en la calle, logró escapar de los nazis haciéndose pasar por hijo católico en familias de acogida, primero los Wilk, en Cracovia, luego los Putek y los Buchala, en el pueblo de Wysoka, a partir de julio de 1943 y hasta la liberación por el Ejército Soviético en enero de 1945, tal y como relató el cineasta en sus memorias.
Después de la guerra, siendo muy joven, ya empezó a interesarse por el mundo del cine y comenzó su carrera como actor teatral. Más tarde cursó estudios en la Escuela de Cine de Łódź.
Su primer cortometraje lo realizó a la temprana edad de 21 años. Se trataba de La bicicleta (1955), en el que él también actúa con el papel principal. Le siguieron Rozbijemy zabawę, Uśmiech zębiczny, Dos hombres y un armario, La lámpara y Cuando los ángeles caen.
Esto le sirvió para poder realizar su primer largometraje en Polonia: El cuchillo en el agua, con el que consiguió una nominación a la mejor película extranjera en los Óscar de 1963.
Poco después Polański realizó sus últimos cortometrajes: Le Gros et le maigre (1961), que rodó en Francia y con el que consiguió varios premios, y Ssaki (1963). En 1965 rodó Repulsión (1965), su primera gran producción en el Reino Unido, con Catherine Deneuve como estrella principal y con un argumento de thriller psicológico que le valió varios premios, incluido el Oso de Plata en el festival de Berlín de ese año.
En 1967 Polański dio el gran salto a los Estados Unidos con el rodaje de El baile de los vampiros, primer filme que rodó en color. Este film, una parodia de las películas de vampiros de la época, le permitió mostrar sus dotes interpretativas y lo consagró en el mercado norteamericano. Antes y durante el rodaje comenzó una relación amorosa con la actriz Sharon Tate, con la que se casó en enero de 1968 en Londres.
En 1968 rodó en EE. UU. una de sus películas más emblemáticas y polémicas: Rosemary's Baby. Interpretada por la actriz Mia Farrow la película obtuvo numerosos premios (entre ellos varias nominaciones al Óscar), logró el éxito internacional y tuvo gran repercusión.
Junto con su esposa se había mudado a una enorme mansión en Los Ángeles, donde tuvo lugar uno de los sucesos que marcarían su vida, tanto personal como cinematográfica. Su esposa, quien se encontraba embarazada de ocho meses y medio, fue una de las víctimas de la matanza (ella y cuatro amigos más fueron brutalmente asesinados) que la banda "La Familia" del líder Charles Manson realizó en dicha casa.
Tras un período de inactividad regresó al cine en 1971 con Macbeth, en una personal adaptación de la obra de William Shakespeare. La película fue el primer fracaso comercial de Polański, aunque en Inglaterra funcionó bien. Destaca en la película la matanza realizada por el protagonista sobre los escoltas del Rey que hace alusión a los asesinatos de su esposa y amigos.
En 1973 viajó a Italia para rodar ¿Qué?, una comedia disparatada que contiene alguno de los momentos más divertidos de su filmografía. La película fue un fracaso en EE. UU., pero en Europa consiguió un notable éxito, sobre todo en Francia, Italia y Alemania. En España fue prohibida por la censura de la época, debido a los continuos desnudos de Sydney Rome.
En 1974 Polański volvió por la puerta grande, al rodar Chinatown, una película inspirada en los clásicos del cine negro, con las apariciones estelares de Jack Nicholson, Faye Dunaway y John Huston. La película fue un éxito mundial y lograría 11 nominaciones a los Óscar, de los que obtendría tan sólo uno, así como otros numerosos premios.
Viajó a Francia, donde, apoyado de nuevo por las multinacionales, comienza el rodaje de El quimérico inquilino (The Tenant), un «thriller» psicológico que quizá sea la obra cumbre del director polaco y en el que él mismo actúa como protagonista. Como las autoridades francesas pretendían presentar el largometraje en el festival de Cannes, Polański se vio obligado a realizar el proyecto a gran velocidad, con lo que pasaron tan sólo ocho meses desde que se escribió el guion hasta que se estrenó la película. El quimérico inquilino se estrenó en 1976, fracasó en el festival de Cannes y recibió malísimas críticas. Fue un tremendo fiasco comercial y, curiosamente, hoy en día se ha convertido en el largometraje favorito de muchos de sus seguidores, ya que es uno de los trabajos más personales de Polański y, a la vez, más retorcido, mezclando de forma magistral terror con humor negro.
En 1977 Polański, de nuevo en EE. UU., fue acusado de haber violado a una joven de trece años. Nunca ha vuelto a pisar suelo estadounidense.
En 1979, tras un intenso rodaje de más de año y medio en Francia, Polański estrenó Tess, basada en la novela de época de Thomas Hardy, con Nastassja Kinski como protagonista. Fue uno de los mayores éxitos de su carrera, logrando varios Globos de Oro y siendo candidata a seis estatuillas en los Óscar, de las que conseguiría tres.
En 1986 regresó con Piratas, proyecto que había intentado rodar diez años atrás inspirándose en las películas de piratas y que, sin Jack Nicholson como protagonista, fue, como vaticinaron las productoras diez años antes, un fracaso comercial.
Dos años más tarde, con 55 años, volvió al género de suspense con una producción estadounidense rodada en Francia, Frantic, junto a Harrison Ford y la que sería la futura esposa de Polański en 1989, Emmanuelle Seigner, de 22 años. La película se estrenó en 1992 y, sin llegar a estar considerada de lo mejor de la filmografía de Polański, supera los trabajos del director en la década de los 80 y 90.
En 1994 estrenó La muerte y la doncella, basado en el libro del mismo nombre de Ariel Dorfman.
En 1999 Polański rodó La novena puerta, en la que adaptó de forma original la novela de Arturo Pérez-Reverte El club Dumas y otorgó el papel protagonista a Johnny Depp. El filme, aunque fue un éxito comercial, se ganó el estatus de una de las peores películas de Polański por parte de la crítica.
Fue en 1997 cuando Polański incursionó en el teatro musical con la producción germano-austriaca Tanz der Vampire (basada en la película de Polański, con libreto de Michael Kunze y musicalizada por el célebre Jim Steinman).
En 2002 recibió la Palma de Oro de la 55.ª edición del festival de Cannes, máximo galardón del certamen, por el filme El pianista, adaptación de las memorias de Władysław Szpilman, pianista judío polaco que sobrevivió a las masacres nazis gracias a la ayuda de un oficial alemán. En la 75 edición de los Óscar, El pianista recibió tres galardones; mejor actor (Adrien Brody), mejor guion adaptado (Ronald Harwood) y mejor director para Polański, que no asistió a la ceremonia por ser prófugo de la justicia estadounidense.
Polański estrenó Oliver Twist (2005), una película con la que se identificaba.
En 2007 se preparaba para un nuevo giro en su carrera, con la adaptación de la novela "Pompeya" de Robert Harris.
En febrero de 2009 inició en Berlín el rodaje de The Ghost Writer. Escribió también el guion, adaptado de la novela homónima del escritor inglés Robert Harris, distribuida en España bajo el título El poder en la sombra. La película se estrenó en Alemania el 18 de febrero de 2010. Sin embargo fue detenido sorpresivamente el sábado 26 de septiembre de 2009 en Zúrich por los cargos de abuso sexual que pesaban sobre él en Estados Unidos desde 1977, por los que pesaba contra él una orden de búsqueda y captura.
“Basada en hechos reales” (2017) es una adaptación de la novela francesa del autor Delphine de Vignan. La película sigue a una escritora (Emmanuelle Seigner) quien lucha por finalizar una nueva novela, mientras es seguida por una fan obsesionada (Eva Green). La película participó en la edición 2017 del Festival de Cine de Cannes.
