Après trois années de cours de théâtre, Nabil Ayouch s'oriente vers la réalisation.Il débute par la publicité en 1992 et la même année signe son premier court-métrage Les pierres bleues du désert avec Jamel Debbouze, suivent deux autres court-métrages en 1994 et 1996, tous largement primés dans divers festivals internationaux. En 1997, il réalise son premier long-métrage Mektoub qui remporte un énorme succès au Maroc et qui sera le premier film à représenter le Maroc à l'Académie des Oscars.

Il réalise son deuxième film en 2000, Ali Zaoua prince de la rue, l'histoire émouvante d'enfants sans abris confrontés à la violence de la rue, et qui, après le meurtre de leur camarade Ali, cherchent "l'île aux deux soleils" où il avait tant rêvé de s'échapper, pour l'y enterrer. Avec ce nouveau long-métrage, Ayouch représente une fois de plus le Maroc dans la course aux Oscars. Fort de ses succès, il poursuit sa carrière avec Une minute de soleil en moins, en 2003.

Le cinéaste revient quatre ans plus tard au cinéma, avec Whatever Lola Wants, où il suit le parcours d'une danseuse orientale qui rêve d'apprendre auprès de son modèle, l'hypnotique Ismahan, jouée par Carmen Lebbos. Il s'attèle ensuite à un documentaire, My Land, qui donne la parole aux exilés palestiniens, expulsés de leurs propres villages lors de la création de l'Etat d'Israël en 1948. 

Nabil Ayouch se fait à nouveau l'ambassadeur du Maroc aux Oscars avec Les Chevaux de Dieu en 2012, qui traite un thème tristement actuel, celui de la radicalisation religieuse d'un jeune marocain et de son impact sur sa famille. Il réalise ensuite son septième long-métrage, Much Loved, sur les prostituées de Marrakech. Malgré une reconnaissance internationale avec notamment une sélection au Festival de Cannes dans la Quinzaine des réalisateurs, le film est violemment critiqué puis censuré au Maroc, car il comporte, selon le gouvernement, "un outrage grave aux valeurs morales".