Az Aragónia tartományban fekvő Calandában látta meg a napvilágot. Üzletember apjától, aki 1898-ban a spanyol–amerikai háborúban is harcolt, kalandos természetet örökölt. Zaragozában tanult a jezsuitáknál, kiváló eredménnyel, emellett jól sportolt és szépen hegedült. Tizenhét évesen beiratkozott a madridi egyetemre, ahol mérnöknek tanult, később filozófiával és irodalommal foglalkozott, barátságot kötött Salvador Dalí festővel és García Lorca költővel.
1920-ban megalakította az első spanyol filmklubot, kritikákat írt az ott bemutatott filmekről. Ebben az időszakban ismerkedett meg a freudi pszichoanalízissel, és szakított a vallással.
1924-ben Párizsban a Filmművészeti Akadémiát látogatta, filmkritikusként, majd rendezőasszisztensként dolgozott a francia avantgárd film egyik kiváló rendezője, Jean Epstein mellett. Megismerkedett a szürrealista mozgalommal, barátságot kötött Louis Aragon költővel és Man Ray dadaista képzőművésszel is.
1928-ban Dalíval együtt elkészítette első filmjét, a tizenhat perces Az andalúziai kutyát, amely a filmművészet egyik első és legjelentősebb szürrealista alkotása. Kegyetlen kezdő képsorától (egy kéz borotvával átvágja egy lány szembogarát) maga Buñuel is több napig rosszul volt.
1930-ban Franciaországban forgatta az erősen vallás- és burzsoáellenes Az aranykor című művét, amelynek vetítésén a Hazafiak Ligája és a Zsidóellenes Liga tagjai botrányt okoztak, a jobboldal sajtóhadjáratot indított ellene, végül a cenzúra teljes egészében betiltotta a filmet.
1933 és 1935 között Párizsban az amerikai Paramount vállalat számára dolgozott, majd a Warner Bros. filmvállalat felkérésére Spanyolországban producerként közönségfilmeket készített. 1933-ban rendezte megrázó erejű dokumentumfilmjét Föld, kenyér nélkül címmel az ország egyik legelmaradottabb vidékének szörnyű nyomorban vegetáló lakóiról. A spanyol polgárháború kitörése után felajánlotta szolgálatait a párizsi emigrációba kényszerült köztársasági kormánynak, amely 1938-ban Hollywoodba küldte, hogy technikai tanácsadóként részt vegyen a spanyol köztársaságról szóló filmek forgatásában. Egy darabig vágó, majd segédrendező volt, később New Yorkban a Modern Művészetek Múzeuma (MoMA) munkatársa, de amikor kiderült, hogy ő rendezte Az aranykor című, ateista szellemű filmet, lemondásra kényszerült.
1947-ben Mexikóban telepedett le családjával, 1949-ben állampolgárságot is kapott. Első mexikói remekműve az 1950-es Az elhagyottak volt.
1960-ban visszatérhetett Spanyolországba, leforgatta a Viridianát, amelyet a spanyol hatóságok egyházellenesnek találtak, az 1961-es cannes-i filmfesztiválon azonban nagydíjat kapott.
A hatvanas évek jelentős alkotásai közé tartozik az antiklerikálisnak tartott Az öldöklő angyal, a nyíltan politizáló Egy szobalány naplója, amelyben a kibontakozó fasizmus metaforáját adta, valamint A nap szépe, amely az 1967-es velencei filmfesztiválon elnyerte a fődíjat, az Arany Oroszlánt. 1970-ben a Tristana című filmjét Oscar-díjra jelölték a legjobb külföldi filmek között, de akkor még a Vizsgálat egy minden gyanú felett álló polgár ügyében című olasz alkotás nyert.
1972-ben A burzsoázia diszkrét bája elnyerte a legjobb külföldi filmnek járó Oscar-díjat, és a forgatókönyvírók között őt is aranyszobrocskára jelölték, ahogy az öt évvel későbbi A vágy titokzatos tárgyáért is. 1982-ben életművéért Arany Oroszlán-díjat kapott a velencei filmfesztiválon, és két alkalommal is irodalmi Nobel-díjra jelölték (1968, 1972).
Buñuel életének utolsó éveiben Mexikóban élt, itt állt a háza, cellaszerű szobájával a hatalmas könyvtár és a céllövő terem mellett. Állítólag céllövő szenvedélye miatt lett erősen nagyothalló, filmjeit is hallókészülékkel készítette, és többnyire hang nélküli vetítésben nézte. 1983-ban megjelentette önéletírását Utolsó leheletem címmel, és még ugyanebben az évben, július 29-én Mexikóvárosban meghalt.
Az 1997-ben Bikácsy Gergely tollából megjelent Buñuel-napló című monográfia „az irodalmi elbeszélésmódoktól függetlenedő filmes narrációnak egyik legnagyobb és megkerülhetetlen alkotójaként” aposztrofálja a rendezőt, aki kalandos utat járt be: Isten dühös tagadásától az Istennel való ironikus vitatkozásig, a dühös polgárpukkasztástól a komikus abszurdig jutott, miközben formanyelve fokozatosan leegyszerűsödött.
