Régis Wargnier débute dans le cinéma comme réalisateur de seconde équipe en 1972 sur La Femme en bleu de Michel Deville ou encore sur deux films de Francis Girod (Le Grand Frère et Le Bon Plaisir).

En 1986, il s'attaque à son premier long métrage, La Femme de ma vie où il brosse le portrait d'un violoniste en proie à l'alcoolisme. Ce 1er essai est un coup de maître puisque le film est nommé 5 fois aux Césars et repart avec le Prix de la Meilleure Première Œuvre. Après Je suis le seigneur du chateau, Régis Wargnier s'attaque à la fresque historique Indochine dont le succès dépasse les frontières françaises. Non seulement le film remporte l'Oscar du Meilleur Film Étranger en 1993 mais aussi 5 Césars dont celui de la Meilleure Actrice pour Catherine Deneuve.

L'actrice collabore à nouveau avec le cinéaste en 1999 dans Est-Ouest où elle a pour partenaire Sandrine Bonnaire et Oleg Menshikov. Un film réalisé 4 ans après Une femme française où Emmanuelle Béart incarne une femme dont le mari est fait prisonnier pendant la Seconde Guerre Mondiale.

Dans un tout autre domaine, le réalisateur se consacre aux grands sportifs tels Haïlé Gebresélassié ou Hicham El Guerrouj, dans les documentaires Cœurs d'athlètes et D'or et d'argent diffusés sur France 2 respectivement en 2003 et en 2004 et co-réalisés avec Patrick Montel, journaliste sportif.

Il revient au cinéma en 2005 avec Man to man, film fleuve sur la tolérance et l'acceptation de l'autre, avec Joseph Fiennes et Kristin Scott Thomas. Spécialiste des adaptations de romans au cinéma, il s'attaque ensuite au polar de Fred Vargas, Pars vite et reviens tard, où il retrouve pour l'occasion Linh Dan Pham, l'actrice qu'il avait révélée dans Indochine et qui joue ici l'amante du héros interprété par José Garcia. Passionné d'athlétisme, il consacre enfin en 2011 un long métrage à cette discipline dans La Ligne droite, où il suit le parcours d'un jeune sportif aveugle.

En 2014, il adapte Le Portail de François Bizot dans Le Temps des aveux, tourné au Cambodge et présenté au Festival international du film de Toronto la même année. Parallèlement à sa carrière cinématographique, Wargnier s'illustre en littérature avec la publication de Les Prix d'excellence en 2018 et La Dernière Vie de Julia B. en 2022. Engagé dans la vie publique, il est nommé au Conseil économique, social et environnemental en 2015 et participe à un meeting de soutien à Emmanuel Macron en 2017. En 2018, il signe un appel dans Le Monde pour une action politique immédiate face à la crise climatique.

Il faut attendre 2025 pour qu'il repasse derrière la caméra avec La Réparation, un drame tourné entre la France et Taïwan, centré sur le milieu de la haute gastronomie. Julia de Nunez, Clovis Cornillac et Julien De Saint-Jean campent les personnages principaux du long métrage.