Fils du comédien Maurice Garrel, le jeune Philippe est très créatif durant son enfance. S'ennuyant à l'école, Garrel réalise à 13 ans son premier court métrage, Une plume pour Carole, qu'il détruit aussitôt. En 1964, il fait ses vrais débuts avec Les Enfants désaccordés, suivi de plusieurs autres courts métrages dont Le Révélateur, qui reste l'un de ses plus remarquables durant cette période. Il passe au long en 1967 avec Marie pour mémoire, Grand Prix du Festival de Biarritz.

Très tôt, deux influences se dessinent : celles de Jean-Luc Godard et du Velvet Underground. En 1968, Garrel participe à Cinétracts, une entreprise cinématographique initiée par Chris Marker et mise sur pied par plusieurs cinéastes français de renom dont Godard en personne. Un an après, Garrel rencontre celle qu'il nomme la "souterraine de velours" : Nico, îcone rock qui sera sa partenaire en 1972 dans La Cicatrice interieure, film-culte sur l'errance dont elle compose également la musique.

En 1975, Un ange passe et Nico demeure. Garrel poursuit sa quête d'un absolu de l'image tout en distillant dans son oeuvre des "substituts de lui-même". En 1982, il décroche le Prix Jean-Vigo pour L'Enfant secret, une oeuvre qui mêle une nouvelle fois amour, création et filiation. Un an plus tard, Liberté la nuit, avec son père dans le rôle principal, est très remarqué au Festival de Cannes. Cet enfant de la Nouvelle vague participe à la même époque au projet Paris vu par... vingt ans après.

En 1989, Les Baisers de secours marque le début d'une longue collaboration avec le romancier Marc Cholodenko. Optant pour une narration plus traditionnelle, Garrel, cinéaste de l'intime, n'en continue pas moins de tisser une oeuvre très personnelle, comme en témoigne en 1991 l'introspectif J'entends plus la guitare, Lion d'argent à Venise. Adepte de la première prise, amoureux du noir et blanc (La Naissance de l'amour, 1993), il donne à ses films des titres poétiques et mystérieux (Le Coeur fantôme, Sauvage innocence).

Cinéaste marginal, Garrel fait pourtant appel à Catherine Deneuve pour Le Vent de la nuit (1999), constat désespéré dans lequel on retrouve toutes ses obsessions (la rupture sentimentale, la drogue, la fin des idéaux politiques). Il obtient en 2005 un nouveau Lion d'Argent du Meilleur réalisateur pour son film-fleuve Les Amants réguliers, évocation sensible de Mai 68 avec pour interprètes des élèves du Conservatoire, parmi lesquels son fils Louis.

Celui-ci est, aux côtés de Laura Smet, le héros de son film suivant, La Frontière de l'aube (2008), présenté en compétition au Festival de Cannes - une première pour le réalisateur, âgé de 60 ans. Deux ans plus tard, il réalise Un été brûlant avec son fils dans le rôle principal, partageant l'affiche avec Monica Bellucci. En 2013, Philippe Garrel met en scène pour la sixième fois son fils et pour la deuxième fois sa fille Esther dans La Jalousie, drame inspiré de la vie de son propre père.

Deux ans plus tard, le cinéaste livre L'Ombre des femmes, une nouvelle variation autour du sentiment amoureux avec Stanislas Merhar, Clotilde Courau et Lena Paugam. Il convoque ensuite, en 2017, Eric Caravaca, Esther Garrel et Louise Chevillotte pour L'Amant d'un jour, l’histoire d’un père et de sa fille qui rentre à la maison parce qu’elle vient d’être quittée. Puis, il fait appel aux prometteurs Logann Antuofermo et Oulaya Amamra pour être au centre du Sel des larmes, où il est question d’amour et de transmission.

Tournant régulièrement, Philippe Garrel revient en 2023 avec Le Grand Chariot, un hommage à son père marionnettiste pour lequel il fait appel à ses trois enfants : Louis Garrel, Esther Garrel et Léna Garrel. Quelques semaines avant la sortie de cet opus, Mediapart dévoile une longue enquête consacrée au cinéaste. Plusieurs actrices, parmi lesquelles Anna Mouglalis et Clotilde Hesme, accusent ce dernier de "propositions sexuelles contre des rôles" et de "gestes et baisers non consentis". Si Philippe Garrel nie la majorité des faits, il présente ses excuses pour avoir "mal interprété" des "ressentis" et évoque une "remise en question". Aucune plainte n’a été déposée à ce jour.