Élevé dans le monde du septième art, le fils du réalisateur Costa-Gavras est le co-fondateur en 1994 du collectif Kourtrajmé avec Kim Chapiron. Avec ou sans son acolyte, Romain Gavras met en scène de nombreux courts métrages, et se fait également connaître dans la réalisation de clips tels que Changer le monde du rappeur Rocé, ou Pour ceux de la Mafia K1fri ; un registre qui lui permet de gagner ses premières lettres de noblesse.

Le court-métrage Mégalopolis présente Paris d'un point de vue différent : déjanté, underground, à l'image des autres réalisations du collectif. Ce projet s'appuie sur la musique de DJ Medhi, qui livre une composition mêlant rap et électro. Romain Gavras apparaît également brièvement pour son père sur grand écran en 2005, dans Le Couperet.

A une époque où tout le monde se "montre" pour la moindre raison, lui garde un contrôle méticuleux de son image et permet d'entretenir ainsi une sorte de mythe autour de son personnage. C'est ainsi que l'on ne l'entend pas au moment de la double polémique suscitée par l'ultra-violence de ses deux clips Stress pour le groupe électro Justice (2008) et Born free pour la chanteuse hip-hop M.I.A. (2009). A propos de ce silence, critiqué, il déclare quelque temps après ; "il fallait laisser les gens interpréter sans accompagnement explicatif. Mon silence était nécessaire pour que les discours les plus contradictoires s'épanouissent. Les commentaires font partie de l'oeuvre, à leur manière."

C'est en reprenant le thème narratif utilisé pour M.I.A., la stigmatisation de la communauté des roux, qu'il élabore en 2009 son premier long-métrage, Notre jour viendra, où deux membres de sa "famille" de cinéma, Vincent Cassel et Olivier Barthelemy, jouent deux roux animés par une quête hallucinée vers l'Irlande et la liberté. Il assiste ensuite son ancien complice de Kourtrajmé, Kim Chapiron, en tant que réalisateur de seconde équipe sur La Crème de la crème et signe plusieurs clips pour des artistes prestigieux (Jay-Z et Kanye West) et des marques de luxe (Dior, Vuitton). Romain Gavras revient au long-métrage en 2018 avec Le Monde est à toi, une comédie de gangsters atypique présentée à la Quinzaine des Réalisateurs au Festival de Cannes. Provocant, drôle et à l'image ultra-léchée à l'instar de ses précédents travaux, le film réunit les stars Vincent Cassel et Isabelle Adjani et la jeune garde du cinéma français, Karim Leklou et Oulaya Amamra.