Fils d'enseignants, Laurent Cantet obtient une maîtrise d'audiovisuel à Marseille, puis intègre en 1984 l'IDHEC, où il se lie d'amitié avec de futurs cinéastes comme Dominik Moll, Vincent Dietschy ou encore Gilles Marchand. Ce dernier l'engage en tant que chef opérateur sur son premier court métrage, L'Etendu (1987), puis renouvelle la collaboration en 1993 pour un autre court métrage intitulé Joyeux noël.

Diplômé de la prestigieuse école en 1986 avec un film de fin d'études intitulé "Chercheurs d'or", Laurent Cantet signe pour la télévision un documentaire sur la guerre du Liban ("Un été à Beyrouth", 1990), avant de travailler comme assistant réalisateur sur Veillées d'armes (1994) de Marcel Ophuls. Il se fait bientôt remarquer grâce à deux courts métrages dans lesquels il traite d'emblée deux de ses thèmes fétiches : la lutte des classes dans Tous à la manif (Prix Jean-Vigo 1995) et les liens familiaux dans Jeux de plage (1995), le court-métrage qui marque les débuts à l'écran de Jalil Lespert.

Après avoir réalisé en 1999 pour Arte Les Sanguinaires dans le cadre de la collection "2000 vu par...", Laurent Cantet tourne, toujours avec le soutien de la chaîne franco-allemande, son premier long métrage de cinéma : Ressources humaines (1999). Examinant, avec une égale subtilité, les rapports sociaux dans une usine et une relation père/fils. Le film joint la force du documentaire à celle du mélodrame, un exploit salué par deux César : Meilleure première œuvre et Meilleur jeune espoir pour Jalil Lespert, seul acteur professionnel au milieu d'un casting d'amateurs. En 2010, la réalisatrice Courtney Hunt réalise un remake américain de ce film (Human resources), produit par Alain Chabat.

Fidèle aux mêmes sujets, Cantet aborde la question du travail dans son deuxième long métrage L'Emploi du temps. Primé à Venise en 2001, le film est inspiré par l'histoire du mythomane Jean-Claude Romand. Avec Vers le sud, son troisième opus, lui aussi présenté à la Mostra, le cinéaste se confronte à une terre lointaine (Haïti) et à une actrice renommée (Charlotte Rampling). Selon ses propres termes, le film "met en regard la misère sociale des uns et la misère sexuelle des autres", nouvelle manière pour lui d'articuler l'intime et le politique.

Cantet se lance ensuite dans l'adaptation à l'écran du roman de François Bégaudeau "Entre les murs", dans lequel l'auteur évoque son quotidien de professeur de français dans un collège difficile. A partir de ce matériau documentaire, le cinéaste signe une fiction nuancée et stimulante sur le milieu scolaire, qui décroche la Palme d'or au Festival de Cannes 2008 - une première depuis Sous le soleil de Satan (1987). En 2012, il revient à la Croisette en collaborant avec sept réalisateurs de nationalités différentes avec la mise en scène du segment "La Fuente" de 7 jours à la Havane, présenté en Sélection Officielle à Cannes dans la section Un Certain Regard. Le réalisateur marque le début de l'année suivante avec le féministe Foxfire, tiré des "Confessions d'un gang de filles" de la romancière américaine Joyce Carol Oates.

En 2014, Laurent Cantet retourne à la Havane pour réaliser Retour à Ithaque. Le film raconte les retrouvailles de cinq amis à l’occasion du retour de l’un d’entre eux. En 2017, le metteur en scène présente à Cannes son nouveau film, L'Atelier, à nouveau issu de sa collabotation avec Robin Campillo et dans lequel Marina Foïs se glisse dans la peau d'une romancière reconnue supervisant des jeunes via un atelier d'écriture.