D'abord journaliste, Juan Antonio Bayona intègre l'école Cinema and Audiovisual School of Catalonia (ESCAC) dans le but de devenir réalisateur. Après l'obtention de son diplôme, il met en scène des publicités, des clips et plusieurs courts métrages.

C'est en 2007 que Juan Antonio Bayona acquiert une renommée mondiale, lorsqu'il présente son premier long métrage pour le cinéma : L'Orphelinat. Ce film angoissant et visuellement très travaillé coproduit par Guillermo Del Toro est bien reçu à sa sortie, que ce soit par la critique ou le public (il devient même le plus gros succès espagnol de tous les temps à sa sortie).

Fort de cette réussite, Juan Antonio Bayona enchaîne quatre ans plus tard avec The Impossible porté par un casting international emmené par Naomi Watts et Ewan McGregor. Ce film, qui se centre sur une famille séparée par le tsunami de 2004, connaît également un succès conséquent en salles puisqu'il rapporte pas loin de 170 millions de dollars dans le monde et se hisse à la septième place du box-office espagnol de tous les temps (avec 6,2 millions d'entrées).

Après avoir réalisé deux épisodes de la série horrifico-fantastique Penny Dreadful, Juan Antonio Bayona s'attaque à l'ambitieux Quelques minutes après minuit. Ce film adapté d'un roman à succès raconte l'histoire d'un petit garçon qui, pour fuir son quotidien difficile, s’échappe dans un monde imaginaire peuplé de créatures extraordinaires.

En avril 2016, la carrière de Juan Antonio Bayon prend encore une autre tournure lorsqu'il est choisi pour réaliser Jurassic World 2, la suite du très lucratif Jurassic World (le film avait récolté 1,670 milliard de dollars...) sorti en 2015.