Après des études de cinéma à la New York University, Barry Sonnenfeld débute sa carrière en tant que directeur de la photographie. D'abord sur un documentaire, In Our Water (1982), qui est une magnifique entrée en matière, puisque le film est nommé aux Oscars. Il participe ensuite au premier long métrage de Joel Coen et Ethan Coen, Sang pour sang (1984). C'est la naissance d'un partenariat fructueux, Sonnenfeld apportant ses lumières aux frères jusqu'à la fin des années 1980. Il participe en parallèle à d'autres longs métrages, dont les comédies Big (1988) et Quand Harry rencontre Sally (1989).

Au début des années 90, Barry Sonnenfeld se lance dans sa première réalisation, La Famille Addams (1991). Le succès public des aventures de cette macabre famille appelleront d'ailleurs une suite, deux ans plus tard (Les Valeurs de la famille Addams). Entretemps, sur un ton toujours aussi léger, Sonnenfeld met en scène une comédie romantique, Le Concierge de Bradbury, avec Michael J. Fox et Gabrielle Anwar en couple vedette. L'ancien directeur de la photographie peut désormais faire briller les plus grandes stars : c'est le cas dans Get Shorty, un thriller comique dans lequel un truand charismatique (John Travolta) part à l'assaut d'Hollywood.

Mais le chapitre le plus fameux de la carrière de Barry Sonnenfeld reste encore à écrire... En 1997, le monde entier découvre les Men in Black. Dans cette adaptation d'une série de comics, des hommes en noir, menés par Will Smith et Tommy Lee Jones, sont chargés de la surveillance des activités extraterrestres sur Terre. Le carton de cette comédie mêlant action, effets spéciaux et humour est mondial (590 millions de dollars). Will Smith confirme son statut de méga-star, et Sonnenfeld peut maintenant capitaliser sur son propre succès. L'épisode initial se transforme en trilogie, avec Men in black 2 (2002) et Men In Black III (2012), qui sort quinze ans après le premier opus.

Si les autres réalisations de Barry Sonnenfeld ne rencontrent pas le même succès public - Wild Wild West, son western très librement inspiré de la série Les Mystères de l'Ouest, est l'échec de l'été 1999, malgré la présence de Will Smith -, ou critique (Camping car avec Robin Williams), le cinéaste peut toujours compter sur sa carrière de producteur. Tel un renvoi d’ascenseur, il produit le Ladykillers des frères Cohen (2004). Et dans un tout autre genre, on le retrouve au générique de productions destinées au jeune public, des Désastreuses aventures des orphelins Baudelaire aux Chimpanzés de l'espace, en passant par le féérique Il était une fois. Le petit écran bénéficie également de son expérience : il est le réalisateur du pilote, et le producteur exécutif de la série Pushing Daisies, définitivement morte après deux saisons (2007-2009).

Après avoir mis en scène quelques téléfilms (Hackett, The Bridget Show), Sonnenfeld revient sur grand écran en 2016 avec Ma vie de chat dans lequel il transforme Kevin Spacey en matou grigou.