Après des études universitaires à Cambridge, Paul Greengrass devient journaliste. Il travaille pour la télévision et s'intéresse aux mouvements séparatistes irlandais. En 1989, il tourne un premier long métrage, Resurrected, et entame une carrière de cinéaste de fiction. Dans les années qui suivent, il réalise plusieurs téléfilms (Open fire, The One that got away ou encore The Murder of Stephen Lawrence) et Envole-moi (1998), une comédie dramatique interprétée par Kenneth Branagh et Helena Bonham Carter.

Avec son troisième film, Bloody Sunday, Paul Greengrass aborde un thème qui lui tient à coeur, les événements tragiques du 30 janvier 1972 à Derry, en Irlande du Nord. Il obtient la reconnaissance internationale en recevant l'Ours d'or à Berlin en 2002. Intéressés par son style nerveux, souvent caméra à l'épaule et quasi-documentaire, les producteurs de La Mort dans la peau lui confient alors en 2003 la réalisation de ce film d'action emmené par Matt Damon.

La même année, le cinéaste reste fidèle à ses thèmes en signant le scénario de Omagh, un téléfilm politique évoquant l'attentat meurtrier perpétré par l'IRA "véritable" (une branche dissidente de l'IRA) en 1998, qui fit 29 morts. Deux ans après, il s'intéresse à une Amérique encore meurtrie par les attentats du 11 septembre 2001, dans le bouleversant Vol 93.

C'est en 2007 qu'il retrouve Matt Damon pour l'ultime volet de la saga sur Jason Bourne, La Vengeance dans la peau. Après cette réussite, tant d'un point de vue critique que financier, le cinéaste toujours impliqué collabore pour la troisième fois avec son acteur fétiche sur Green Zone, un film questionnant la deuxième guerre en Irak, écrit par Brian Helgeland et adapté du livre Imperial Life in the Emerald City de Rajiv Chandrasekaran.

En 2013, Paul Greengrass revient, cette fois, avec Tom Hanks pour incarner le personnage principal de son nouveau film, Capitaine Phillips. Il s'agit de l'adaptation de l'histoire vraie de la prise d'otage du Capitaine Richard Phillips et de son équipage à bord du Maersk Alabama entre le 8 et le 12 avril 2009 et organisée par quatre pirates somaliens. En 2016, le britannique revient au personnage de l'agent secret campé par Matt Damon avec Jason Bourne. Cette fois, la traque de Bourne par les services secrets américains se poursuit. Des îles Canaries à Londres en passant par Las Vegas.