1928. július 26-án született New Yorkban, apja sebész, ősei az Osztrák–Magyar Monarchiából kivándorolt zsidók voltak. A tanulás helyett a zenélés, a sakk és a fényképezés foglalkoztatta, tizenhét évesen már a Look magazin fotósa volt, és a Modern Művészetek Múzeumának vetítésein igyekezett ellesni a filmszakma rejtelmeit.
Huszonhárom évesen életbiztosítását felhasználva tizenkét perces dokumentumfilmet készített a bokszolók világáról. Első játékfilmjét 1953-ban forgatta Félelem és vágy címmel, a második világháborús témájú, háborúellenes alkotás nyomán kezdték megismerni a nevét a filmes szakmában. Az 1955-ös A gyilkos csókjával és a rasszizmus problémáját a középpontba állító Gyilkossággal már Hollywoodba is belépőt váltott. Az áttörést 1957-ben A dicsőség ösvényei hozta meg, a Kirk Douglas főszereplésével készült film az első világháborún keresztül mutatta be a militarizmust; kompozíciója, kamerakezelése és mondandója már az igazi Kubrickot idézi.
Egyetlen „hollywoodi” alkotása a legjobb film Golden Globe-díját elnyerő monumentális Spartacus (1960) volt, a címszerepben ismét Douglasszel, de az eredménnyel elégedetlen volt, mert a stúdiótól nem kapott mindenben szabad kezet. Zsarnoki természete és nyers modora, monomániás tökéletességre törekvése miatt nem sokan dolgoztak vele másodszor. Douglas utólag hideg gazembernek nevezte, az operatőr pedig azért panaszkodott, mert átvette a munkáját, igaz, nem járt rosszul, mert Oscar-díjat kapott.
1962-ben a cenzúra miatt Angliában forgatta a Nabokov nagy visszhangot és botrányt kiváltó regényéből készült Lolitát egy középkorú férfiról, aki megszállottan szerelmes egy tizenkét éves kislányba. A forgatást követően végleg a ködös Albionba költözött. Az 1964-es Dr. Strangelove, avagy rájöttem, hogy nem kell félni a bombától, meg is lehet szeretni című gyilkos szatírája a hidegháborús hisztériáról szól, a hármas szerepet játszó Peter Sellersszel. Erről a filmről Steven Spielberg úgy nyilatkozott, hogy a Dr. Strangelove díszlete a legjobb, amit valaha látott.
1968-ban mutatták be a 2001: Űrodüsszeiát, minden későbbi sci-fi-film elődjét és példaképét, ezért kapta egyetlen hollywoodi elismerését, a legjobb vizuális effektusért járó Oscar-díjat. Mivel ez az elismerés elsősorban Kubricknak szólt, a film trükkmesterei megsértődtek. A rendező ráadásul meg sem jelent a díjátadón. Ma már a műfajban alapvető hivatkozási pont, azonban akkoriban sokan nem értették a filmet, a premieren például több mint kétszáz ember sétált ki az előadásról. Az aranyszobrocskára összesen tizenhárom jelölést kapott a legjobb film, rendezés, valamint forgatókönyv kategóriában, de a gáláról mindig üres kézzel távozott. Legsokkolóbb műve az Anthony Burgess regénye alapján készített Mechanikus narancs (1971), egy technikailag fejlett, de erőszakos társadalom pesszimista víziója. A filmet először a cenzúra nem engedte bemutatni, aztán a rendező vonta vissza, mert állítólag több bűncselekményt ihletett. Az 1975-ös, Thackeray műve alapján készült Barry Lyndon egyebek között arról nevezetes, hogy producere idegösszeomlást kapott, amikor Kubrick a korhű jeleneteket csak gyertyafénynél volt hajlandó forgatni.
A Stephen King regényéből készült borzongató Ragyogás (1980), a főszerepben az őrületbe süllyedő alkalmi hotelgondnokot alakító Jack Nicholsonnal a Guinness-rekordok könyvébe is bekerült, mert egyik jelenetét 127 alkalommal vették föl. Érdekes módon az író a műveiből készült legrosszabb feldolgozásnak nevezte a filmet, és később el is készíttette a saját verzióját. 1987-ben a vietnami háborúról forgatta Acéllövedék című filmjét, utolsó alkotása a szenvedélyről és szerelemről szóló erotikus Tágra zárt szemek volt (1999). Ez is bekerült a Rekordok Könyvébe mint a leghosszabb ideig, folyamatosan négyszáz napig forgatott film. Kubrick mítoszára jellemző, hogy a főszerepet alakító hollywoodi álompár, Tom Cruise és Nicole Kidman erre az időre Londonba költözött, a producerek pedig úgy adtak össze 65 millió dollárt, hogy csak az eredményt láthatták, a vetítés során még a gépésznek is hátat kellett fordítania a filmvászonnak.
Kubrick 1995-ben még hozzákezdett a Mesterséges intelligencia (AI) című film munkálataihoz, amelyet az őt példaképének tekintő Steven Spielberg fejezett be, élete nagy álma, a Napóleon-film már nem teljesülhetett. Anti-Hollywood megtestesítője élete második felében visszavonultan és zárkózottan élt Nagy-Britanniában, a külvilággal csak telefonon és faxon tartotta a kapcsolatot. 1999. március 7-én halt meg London melletti otthonában szívroham következtében.
Négy és fél évtized alatt mindössze tizenhárom egész estés filmet rendezett, de ezek mindegyikére egy kutató alaposságával készült fel. Műveire a szuggesztív látásmód, az egyedi témaválasztás, a filozofikus tartalom és a sokkoló képi világ jellemző. Több filmjében is (2001: Űrodüsszeia, Ragyogás, Tágra zárt szemek) Ligeti György zenéje hallható. Kubrick megkapta a velencei filmfesztivál Arany Oroszlán-díját, életművéért elismerte az amerikai rendezők céhe (DGA) és a brit filmakadémia is, az utóbbi által adományozott életműdíjat 2000-ben róla nevezték el. Személyével kapcsolatban több teória is napvilágot látott, például hogy a holdra szállás meg sem történt, ő rendezte meg, és ezzel kapcsolatos vallomása a Ragyogás című film.
Örökségéhez tartozik a londoni házában felhalmozott több ezer dokumentum, forgatókönyv, fotó és rajz is, amelyekkel filmjeit előkészítette. 2018-ban került elő a szinte forgatásra kész, elveszettnek hitt Burning Secret. Stefan Zweig kisregényének adaptációja egy nemesről szól, aki egy gyógyfürdőben egy nőt próbál elcsábítani, s közben összebarátkozik annak fiával. 2009-ben egy angol testvérpár rövidfilmet készített Kubrick Árja levelek című, holokauszttémájú, félbehagyott filmjéből. Az eredeti premier ötvenedik évfordulóján a cannes-i filmfesztiválon levetítették a 2001: Űrodüsszeiát, s ugyancsak 2018-ban a Plútó egyik holdjának hegycsúcsát is a rendezőről nevezték el.
