Originaire de Buenos Aires, Carlos Sorin entre dans le monde du cinéma au début des années 70 par le poste de directeur de la photographie. Il réalise son premier long métrage, La Pelicula del rey, en 1986. Ce premier essai est bien reçu puisque le cinéaste remporte un Lion d'argent à la Mostra de Venise et le Goya du meilleur film étranger en Espagne. Il dirige ensuite Daniel Day-Lewis en dentiste fou dans Eternas sonrisas de New Jersey (1989), mais le succès n'est pas au rendez-vous.

Très affecté, Carlos Sorin s'éloigne des plateaux et se consacre à la mise en scène de spots publicitaires. Il revient au cinéma en 2002, après treize ans d'absence, pour réaliser Historias minimas, un drame dans lequel plusieurs voyageurs voient leurs destins se croiser en Patagonie du Sud. Le cinéaste participe ensuite au film collectif 18-j (2004), aux côtés de 8 autres metteurs en scène argentins avant de réaliser Bombon el perro.

Carlos Sorin est un habitué des festivals comme le démontre son retour à San Sebastian avec Le Chemin de San Diego (2006), où il remporte le prix du jury. Avec La Fenêtre (2008), le cinéaste décide d'ancrer l'action du film au sein d'un seul endroit et non dans différentes régions comme il a l'habitude de le faire. Il change ensuite un peu plus de genre avec El Gato desaparece (2011), qui lorgne plus du côté du polar, avant de revenir sur les routes d'une région qu'il aime dans Jours de pêche en Patagonie (2012).