Carlos Reygadas découvre le cinéma à l'âge de seize ans avec les films d'Andrei Tarkovski. Membre de l'équipe nationale de rugby mexicain, il abandonne le sport et met un temps sa passion cinématographique de côté pour se consacrer à des études de droit. Après avoir intégré une Université au Mexique et s'être spécialisé dans les conflits armés à Londres, il travaille pour l'Organisation des Nations Unies avant de changer de vie en 1997. Il se rend alors en Belgique, travaille pour le Ministère mexicain des Affaires étrangères à Bruxelles, puis passe le concours d'entrée de l'Insas où il présente un premier court métrage. Il échoue à l'examen d'entrée.

Carlos Reygadas tourne ensuite trois courts métrages avant de commencer à écrire Japon en 1999. Le film est tourné durant l'été 2001 avant d'être présenté aux Festivals de Rotterdam et de Cannes, où il reçoit une mention spéciale pour la Caméra d'or. Ce premier long métrage, qui trace déjà le sillon d'un cinéma exigeant et puissant, met en scène le périple d'un homme usé qui se rend au fin fond du Mexique pour se préparer à la mort. Son retour sur la Croisette se fait en 2005 où il présente en compétition officielle son nouveau long-métrage, le sulfureux Batalla en el cielo, centré sur l'enlèvement d'un enfant. Habitué cannois, il y revient deux ans plus tard pour présenter, toujours en compétition, Lumière silencieuse.

Tourné en mennonite dans une communauté du nord du Mexique, le film est considéré comme l’un de ses chefs-d’œuvre. Le drame est acclamé à Cannes et reçoit le Prix du jury. Cette œuvre hypnotique rend hommage à Carl Theodor Dreyer, dont Reygadas revendique l’influence. En 2012, Carlos Reygadas remporte le Prix de la mise en scène au Festival de Cannes pour Post Tenebras Lux, un film autobiographique, poétique et déroutant, mêlant réalisme et onirisme. Le metteur en scène y expérimente des effets visuels inédits, tout en abordant les tensions de classe et les déchirements intimes. En 2018, Nuestro tiempo, dans lequel il joue lui-même aux côtés de sa femme Natalia López, poursuit cette veine introspective.

En 2025, le natif de Mexico est choisi pour faire partie du Jury présidé par Juliette Binoche au prestigieux festival de Cannes 2025.