Diplômé de l'Idhec en section "réalisation et prises de vues", Arnaud Desplechin débute comme directeur de la photo sur Comme les doigts de la main, un court-métrage réalisé par un autre étudiant de la célèbre école de cinéma, Eric Rochant, puis sur La Photo de Nico Papatakis. En 1991, il tourne La Vie des morts, moyen-métrage présenté à la Semaine de Critique à Cannes et récompensé par le Prix Jean-Vigo. Dès ce premier essai, le réalisateur, qui raconte les retrouvailles embarrassées d'une famille frappée par un deuil, se révèle doué pour les portraits de groupe. Il dirige une troupe de jeunes acteurs, parmi lesquels Emmanuelle Devos ou Marianne Denicourt, qui ne tarderont pas à s'imposer dans le cinéma français. Ce film de toutes les promesses voit aussi naître une maison de production, Why Not.

Avec son premier-long métrage, La Sentinelle, coécrit par Pascale Ferran et Noémie Lvovsky, Desplechin est propulsé chef de file d'une nouvelle génération de réalisateurs, dont les maîtres ont pour noms Resnais ou Truffaut. Ce film d'espionnage, dans lequel une tête de mort vient réveiller les fantômes de la Guerre froide, représente la France au Festival de Cannes - comme ses deux films suivants. La Sentinelle vaut à Emmanuel Salinger, par ailleurs coscénariste du film, le César du Meilleur jeune espoir masculin.

" J'ai déjà fait un film pour dire du mal de ma famille (la Vie des morts), j'ai déjà fait un film pour dire du mal de mon pays (La Sentinelle), maintenant, j'aimerais bien faire un film pour dire du mal de mes fiancées", déclarait Desplechin aux Inrockuptibles en 1996 à propos de la genèse de Comment je me suis disputé... (ma vie sexuelle). Dans ce film, le réalisateur s'empare de tous les ingrédients habituels du "cinéma d'auteur français " - le chassé-croisé amoureux, les universitaires du Quartier Latin – pour leur donner une ampleur romanesque, à travers trois heures d'un récit choral d'une grande fluidité.

Choyé par les critiques, Desplechin se lance ensuite un triple défi en tournant, en anglais, un film d'époque centré sur un seul personnage. Adapté d'une nouvelle de Symons, Esther Kahn, son troisième long-métrage, raconte l'histoire d'une jeune femme qui s'ouvre à la vie en devenant comédienne. Le théâtre est de nouveau au cœur de Léo en jouant "Dans la compagnie des hommes", film quasi-expérimental qui intègre au récit (une pièce d'Edward Bond) les répétitions des comédiens tournées en vidéo. La même année, il retrouve deux de ses acteurs-fétiches Emmanuelle Devos et Mathieu Amalric pour le virtuose Rois et reine, oeuvre tragi-comique présentée à Venise et lauréate du Prix Louis-Delluc.

Thème de prédilection du cinéaste, la famille, ses secrets et ses névroses, est au coeur de son tout premier documentaire (L'Aimée, 2007), et de son film suivant Un conte de Noël, nouveau film-fleuve à la distribution étincelante (Catherine Deneuve, Mathieu Amalric, Anne Consigny...), présenté en 2008 au Festival de Cannes.

Cinq ans plus tard, Desplechin est de retour sur la croisette avec Jimmy P. (Psychothérapie d'un Indien des Plaines), son premier film tourné aux Etats-Unis. Le scénario du long métrage est adapté du livre de Georges Devereux, Psychothéraphie d'un Indien des Plaines, et le réalisateur y dirige à nouveau Mathieu Amalric, et pour la première fois l'impressionnant Benicio Del Toro. Il revient en 2015 avec Trois souvenirs de ma jeunesse et en 2017 avec Les Fantômes d’Ismaël, présentés tous les deux à Cannes et toujours avec son acteur fétiche Mathieu Amalric au casting.

Desplechin change de style pour son nouveau long métrage, Roubaix, une lumière (2019), un polar ancré dans le réel retranscrivant un sordide fait divers ayant eu lieu dans sa ville natale en 2002. Pour l'occasion, il s'entoure d'un solide casting comprenant Roschdy Zem, Léa Seydoux, Sara Forestier et Antoine Reinartz. Là encore, le film est présenté au plus célèbre des festivals de cinéma. Deux ans plus tard, le cinéaste retrouve Seydoux pour le plus léger Tromperie, dans lequel l’actrice campe la maîtresse de l’écrivain Denis Podalydès.

Dans la foulée, Arnaud revient à un registre plus sombre avec Frère et sœur, dans lequel Marion Cotillard et Melvil Poupaud jouent une sœur et son frère qui se haïssent depuis plus de 20 ans. Tournant beaucoup, il déclare son amour pour le cinéma avec Spectateurs !et fait de François Civil un virtuose du piano dans Deux pianos.