Avec une mère critique de cinéma dans un journal local de l'Ohio, Jim Jarmusch s'affirme très tôt comme cinéphile. Déménageant pour New York à 17 ans, il étudie la littérature à l'université de Columbia avant de partir un an à Paris, où il fréquente assidûment la Cinémathèque. De retour à New York, il s'essaie à la musique et à la poésie avant de s'inscrire dans la section cinéma de la New York University.

Jarmusch finance son film de fin d'études, Permanent Vacation, avec l'argent d'une bourse destinée à payer ses frais de scolarité, ce qui lui coûte son diplôme, mais lui vaut d'être remarqué avant de s'atteler à son premier long métrage, Stranger than Paradise (1983), co-financé par Wim Wenders dont il fut l'assistant sur Nick's Movie. Présenté à Cannes dans le cadre de la Quinzaine des Réalisateurs, ce road-movie contemplatif, tourné en noir et blanc, décroche la Caméra d'Or. Promu nouvelle coqueluche du cinéma indépendant américain, il revient sur la Croisette, mais cette fois en compétition, avec Down by Law, ou l'épopée drôle et absurde d'un trio de taulards, formé par deux Américains (Tom Waits et John Lurie) et un Italien (Roberto Benigni).

Ce goût pour la confrontation des cultures se retrouve dans Mystery train (1989), film-puzzle qui croise les destins de marginaux à Memphis, la ville d'Elvis. Lui-même fan de rock, le cinéaste signe un documentaire sur une tournée de Neil Young et propose volontiers des rôles à des musiciens comme Iggy Pop ou Tom Waits. Adepte du format court, il réalise en 1991 le film à sketches Night on Earth, qui relate cinq rencontres entre un chauffeur de taxi et un(e) passager(e), dans cinq villes du monde. De même, il tourne une série de courts-métrages intitulés Coffee and cigarettes (qui seront regroupés en 2004) dans lesquels on retrouve son univers décalé et ses comédiens fétiches - l'un de ces films est couronné d'une Palme d'or en 1993.

En 1995, Jim Jarmusch revisite le western avec Dead Man, oeuvre onirique présentée à Cannes, portée par un Johnny Depp à la présence magnétique. Le cinéaste s'amuse ensuite à détourner d'autres codes, ceux du film de samouraï, dans Ghost Dog : la voie du samourai (1999), portrait d'un tueur à gages zen incarné par Forest Whitaker. Quinquagénaire à l'allure d'éternel adolescent, Jim Jarmusch signe en 2005 un road-movie mélancolique Broken flowers, avec Bill Murray dans le rôle d'un Don Juan vieillissant qui part à la recherche de son fils. Plus accessible que ses précédents films, cette comédie récolte le Grand Prix à Cannes. Quatre ans plus tard, Jarmusch propose une variation énigmatique autour du film noir, The Limits of Control, dont le casting chic mêle encore amis et icônes : Tilda Swinton, Bill Murray ou John Hurt se succèdent face au loner Isaach de Bankolé.

Du film au noir au film de vampire, il n'y a qu'un pas. Cinq ans après The Limits of Control, Jim Jarmusch réalise, avec de grosses difficultés financières, Only Lovers Left Alive. Il met en scène un couple de vampires, Adam et Eve, à la recherche de sang humain dans les ruelles de Tanger et de Détroit. Sélectionné en compétition officielle au Festival de Cannes 2013, cette histoire d'amour non conventionnelle signe le retour de la collaboration entre le réalisateur et sa muse, Tilda Swinton. Le réalisateur retrouve la croisette trois ans plus tard avec Gimme Danger, un documentaire sur les Stooges qui marque les retrouvailles du réalisateur avec le lézard Iggy Pop, et Paterson, film tendre et poétique qui met en scène sept jours de la vie d'Adam Driver et Golshifteh Farahani. 

En 2019, il s'attaque à la comédie horrifique avec The Dead Don't Die, présenté en ouverture de la compétition officielle du Festival de Cannes. Porté par un casting XXL (Bill Murray, Adam Driver, Tilda Swinton, Chloë Sevigny, Steve Buscemi, Danny Glover, Iggy Pop, RZA, Selena Gomez ou Tom Waits !), le film confronte la petite ville de Centerville à une invasion de cadavres ambulants. Six ans plus tard, Jim met en scène Father Mother Sister Brother, qui remporte Le Lion d’or à la Mostra de Venise. Le long-métrage est composé de trois histoires qui parlent des relations entre des enfants adultes et leur(s) parent(s) quelque peu distant(s), et aussi des relations entre eux.