Amos Gitaï entame en 1968 en Israël des études d'architecture qu'il poursuivra plus tard à l'Université de Berkeley, aux Etats-Unis. Il est encore étudiant lorsqu'il participe, en 1973, à la Guerre du Kippour et manque de se faire tuer par un tir de missile syrien. Cet évènement traumatisant lui inspirera deux films : Kippour, souvenirs de guerre (1997) et Kippour (2000).

En 1977, il commence à travailler pour la télévision israélienne. Celle-ci rejette La Maison (1981), que Amos Gitaï présente néanmoins dans quelques festivals internationaux. En 1982, le tollé provoqué par son documentaire Journal de campagne, tourné pendant la Guerre du Liban, l'oblige à quitter son pays natal. Il s'installe alors à Paris, où il restera dix années de sa vie. De son exil forcé, il puisera son inspiration pour ses films Esther (1985), présenté à la Semaine de la critique du Festival de Cannes, et Berlin Jérusalem (1989). Entre-temps, il soutient son doctorat d'architecture à Berkeley.

Après l'élection de Yitzhak Rabin comme Premier ministre en 1993, Amos Gitaï rentre en Israël et se montre des plus prolifiques. Signant de nombreux films et documentaires à connotation politique, il retrouve les lumières et les charmes de Tel-Aviv pour Devarim qu'il réalise en 1995. Présenté au Festival de Venise, le film est suivi en 1998 de Yom Yom, consacré à sa ville natale Haifa, puis de Kadosh Sacre (1999), centré sur Jérusalem et l'extrémisme religieux.

En 2002, Amos Gitaï foule à nouveau les marches du Palais des Festivals pour la sélection en Compétition de Kedma, qui revient sur la création de l'Etat d'Israël. A travers Alila (2003), le cinéaste livre la chronique d'une vie dans un immeuble, puis l'année suivante il aborde le thème de la traite des blanches dans Terre promise. Tournant avec une régularité exemplaire, le cinéaste parvient également à diriger des stars internationales comme Natalie Portman dans Free Zone (2005) ou Juliette Binoche dans Désengagement (2008). Participant à l'aventure collective de Chacun son cinéma (2007), on le retrouve en 2009 à la réalisation de Plus tard tu comprendras, un drame interprété par Jeanne Moreau et Hippolyte Girardot et reflétant l'universalité des rapports mère-fils.