Petit-fils d'un peintre et fils d'un photographe, le jeune Philippe de Broca est passionné par le monde du spectacle. Le bac en poche, il intègre l'Ecole technique de photo et de cinéma de Vaugirard. Il fait ses première armes de réalisateur en tournant des courts-métrages industriels, mais aussi des reportages et des films éducatifs conçus dans le cadre du Service Cinématographique des Armées.

Au milieu des années 50, le cinéphile Philippe de Broca, stagiaire sur des tournages d'Henri Decoin, fait connaissance avec la bande de la Nouvelle Vague. C'est ainsi qu'il se retrouve assistant réalisateur sur les premiers films de Truffaut (Les 400 coups) et Chabrol (Le Beau Serge). Le cinéaste se fait remarquer dès son premier long-métrage, Les Jeux de l'amour en 1960, une comédie sentimentale dans laquelle il dirige un débutant qui fera bientôt le joli coeur dans trois autres de ses films, Jean-Pierre Cassel. Ce coup d'essai marque également le début d'une fructueuse collaboration avec le brillant scénariste Daniel Boulanger.

Le réalisateur connaît son premier grand succès en 1962 avec Cartouche, film de cape et d'épée avec Jean-Paul Belmondo dans le rôle du séduisant voleur. De l'association entre de Broca et l'acteur, alors au faîte de sa popularité, naîtront quelques classiques de la comédie française à grand spectacle, comme L' Homme de Rio, nommé à l'Oscar du Meilleur scénario en 1965, et Les Tribulations d'un Chinois en Chine, des divertissements qui mêlent, sur un rythme trépidant, aventures, fantaisie et exotisme. S'il revient parfois au registre intimiste de ses débuts (Le Cavaleur, avec Jean Rochefort en 1979), le cinéaste enchaîne les films de genre bâtis autour des vedettes de l'époque, comme les comédies policières Tendre poulet et On a volé la cuisse de Jupiter avec Annie Girardot et Philippe Noiret, qui deviendra son nouvel acteur-fétiche (L' Africain, 1983).

En 1987, Philippe de Broca signe une ambitieuse fresque sur les Chouans !, qui reçoit un accueil mitigé, tout comme Les Mille et une nuits, variation farfelue autour des contes orientaux, avec Catherine Zeta-Jones en Shéhérazade. Signant de nombreuses oeuvres pour le petit écran dans les années 90, le réalisateur devra attendre 1997 et Le Bossu, qui le voit revenir avec fougue à la comédie de cape et d'épée, pour renouer avec le succès en salles -le film obtient par ailleurs une nomination au César du Meilleur film en 1998. En 2004, il tourne une nouvelle adaptation littéraire, Vipère au poing, avec, dans le rôle de la tyrannique "Folcoche" l'actrice qu'il avait fait débuter 23 ans plus tôt dans Psy : Catherine Frot.