Après des études de dessin à Paris, Michel Gondry se lance dans les années 80 dans la réalisation de vidéos musicales, d'abord pour le compte de Oui Oui, son propre groupe dont il est le batteur, puis pour d'autres formations. Particulièrement prolifique, il s'impose au fil des années comme l'un des clippeurs les plus renommés au monde et s'exporte rapidement à l'étranger, collaborant notamment avec son égérie Björk, mais aussi avec The Rolling Stones, The Chemical Brothers, IAM, Radiohead, Kylie Minogue ou encore les Whites Stripes.

Également spécialisé dans la réalisation de spots publicitaires (Levi's, Gap, Air France), Michel Gondry réalise en 2001 son premier long métrage, la fable Human Nature, satire anthropologique emmenée par Patricia Arquette et Tim Robbins. Le film met en scène Lila, une naturaliste à la pilosité abondante, et Nathan, un scientifique obsédé par les bonnes manières, qui ont perdu foi en la race humaine. Michel Gondry présente ce premier long en séance spéciale au Festival de Cannes.

Ce film est l'occasion pour lui de travailler avec le scénariste Charlie Kaufman, qu'il retrouve trois ans plus tard pour Eternal Sunshine of the Spotless Mind, comédie romantico-futuriste portée par Jim Carrey et Kate Winslet. Dans cette seconde fantaisie, Joël et Clémentine tentent, après leur rupture, d’enrayer le processus du souvenir, en effaçant de leur mémoire les instants passés ensemble. La construction du film, les inventions formelles et trouvailles scénaristiques lui permettent d’obtenir un grand succès public, le Grand Prix du festival de Deauville ainsi que l'Oscar du meilleur scénario original.

Gondry poursuit ensuite sur sa lancée, et tente cette fois une double aventure puisqu’il écrit et réalise La Science des rêves en 2005. Gael García Bernal y incarne Stéphane, un garçon surprenant d’excentricité qui, pour séduire sa voisine (interprétée par Charlotte Gainsbourg), se plonge dans un univers où l’imagination est reine.

En 2008, Michel Gondry retrouve les États-Unis et travaille avec Jack Black, qui devient le héros de son Soyez sympas, rembobinez. Toujours aussi éclectique, le réalisateur opte, par la suite, pour le documentaire familial avec L’Epine dans le cœur, portrait de sa tante institutrice au fin fond des Cévennes. En 2010, il est aux commandes d'une grosse production avec l'adaptation du frelon vert, The Green Hornet, un comics des années 60 avec, dans les rôles-titres, Christoph Waltz, Cameron Diaz et Seth Rogen.

Revenu de cette expérience hollywoodienne où il n'avait pas les pleins pouvoirs, il se tourne vers un projet plus minimaliste avec The We and the I, drame urbain qui suit un groupe de jeunes lycéens désabusés le temps d'un trajet en bus. Il s'attaque ensuite à un monument de la littérature française avec l'adaptation de L'Écume des jours, avec Romain Duris et Audrey Tautou dans la peau de deux amoureux confrontés à la maladie. Écrasé par l'ombre de Boris Vian, Michel Gondry s'épuise à rendre justice à ce roman surréaliste et tragique et ressort éreinté de la production. Une épreuve qui coïncide avec le diagnostic de sa bipolarité. 

Insaisissable, il signe ensuite le documentaire Conversation animée avec Noam Chomsky, où il échange avec le linguiste et philosophe américain, et le road-movie fantaisiste Microbe et Gasoil, où il suit les aventures de deux adolescents. Il délaisse un temps le cinéma pour se consacrer à la réalisation de la série Kidding, portée par Jim Carrey. Celui-ci y interprète la star d'une émission culte pour enfants.

Michel Gondry revient en 2023 avec son film le plus personnel, Le Livre des solutions. Inspiré de sa propre expérience sur L'Écume des jours, il fait de Pierre Niney son alter-ego, soit un metteur en scène tyrannique mais attachant en pleine crise de créativité.