Молодость Романа Поланского пришлась на социалистический период в истории Польши. В 1953 году двадцатилетний актёр впервые снимается в кино; в 1955 году получает роль в фильме «Поколение» Анджея Вайды, — Вайда помогает поступить в Киношколу в Лодзи.

Одной из режиссёрских работ Поланского была короткометражка «Убийство» (1957): некто заходит в комнату и убивает спящего человека. Фильм ужасов длился две минуты. Другой его студенческий фильм «Двое мужчин со шкафом» (1958) получил 5 международных премий, включая бронзовую медаль Всемирной выставки в Брюсселе. Полански окончил киношколу в Лодзи в 1959 году.

1962 году Полански снял свой первый полнометражный фильм «Нож в воде», прохладно принятый в ПНР, но произведший сенсацию на иностранных фестивалях и номинировашийся на «Оскар» как лучший иностранный фильм.

После съёмок фильма Полански переехал во Францию, где познакомился с Жераром Браком. Вместе они написали сценарии фильмов «Отвращение» (получил «Серебряного медведя» на Берлинском кинофестивале) и «Тупик» (получил «Золотого медведя»). Эти два фильма были сняты в Англии, где режиссёр жил с 1964 по 1968 годы.

В 1968 году он перебрался в США и дебютировал в Голливуде картиной «Ребёнок Розмари» (1968), ставшей заметной вехой в истории кинематографа. Главную роль в фильме сыграла Миа Фэрроу.

Успех Поланского в Голливуде был омрачён убийством его беременной жены и троих друзей в 1969 году членами группировки Чарльза Мэнсона. После убийства Полански на несколько лет уехал в Европу. Эта трагедия сильно повлияла на всё его дальнейшее творчество.

В 1974 году Полански возвращается в США, где снимает фильм по сценарию Роберта Тауна «Китайский квартал», в котором главные роли исполнили Джек Николсон и Фэй Данауэй. Фильм удостоился «Золотого глобуса» за режиссуру и был выдвинут на «Оскар» в 11 номинациях (почти во всех номинациях его обыграл «Крёстный отец 2»).

Последующие фильмы режиссёр снимал в Европе, преимущественно во Франции.
В 1979 году вышла картина «Тэсс», за которую в 1981 Полански был номинирован на «Оскар», а также получил премию «Сезар». Эту картину Полански посвятил своей убитой жене Шэрон Тэйт.

В 1999 году Роман Полански снял мистический триллер «Девятые врата», в котором главную роль сыграл Джонни Депп.

В 2002 году режиссёр обратился к лично выстраданной теме холокоста, — снял фильм «Пианист». Жюри во главе с Дэвидом Линчем присудило картине «Золотую пальмовую ветвь» Каннского фестиваля, а сыгравший главную роль Эдриен Броуди стал самым молодым обладателем «Оскара» за лучшую мужскую роль.