Troisième fils d'un chirurgien orthopédiste et d'une femme au foyer, Brian De Palma grandit à Philadelphie dans l'ombre d'un frère aîné, Bruce, brillant scientifique adulé par la famille. Lui-même doué pour l'électronique -adolescent, il remporte un concours grâce à un mémoire sur "l'application de la cybernétique aux équations différentielles"-, il s'inscrit à la Columbia University de New York. Marqué par la vision, à 18 ans, de Sueurs froides d'Hitchcock (cinéaste auquel il ne cessera d'être comparé), il découvre avec émerveillement le monde du spectacle durant ses années de fac.

Ayant acheté pour une poignée de dollars une caméra 16 mm, Brian De Palma signe au début des années 60 une poignée de courts et moyens métrages documentaires et de fiction, dont le remarqué Woton's Wake. Etudiant le cinéma au Sarah Lawrence College, il tourne avec ses camarades en 1963 son premier long, The Wedding party avec Robert De Niro, un débutant qu'il présentera en 1970 à son ami Martin Scorsese. L'acteur joue aussi dans Greetings et Hi, Mom!, comédies féroces et iconoclastes influencées par la Nouvelle Vague. Le 7e art est pour De Palma un terrain d'expérimentations formelles tous azimuts, comme en témoigne l'utilisation, dès Dionysus en 1970, du split screen.

Après une première expérience hollywoodienne malheureuse (Get to Know Your Rabbit), De Palma accède à la reconnaissance en 1973 avec Soeurs de sang, thriller d'épouvante dans lequel il développe deux de ses thèmes fétiches, le double et le voyeurisme (présents notamment dans Body Double en 1985). C'est le premier d'une série de films d'horreur truffés de références -qui lui valent d'être qualifié de cinéaste "postmoderne"-, tels le psychédélique Phantom of the Paradise (1974) et Carrie au bal du diable (1976), deux films qui remportent le Grand Prix à Avoriaz.

Cinéaste de l'Obsession (titre d'un opus de 1977) et de la manipulation (Pulsions, Blow out), De Palma s'éloigne du fantastique dans les annnées 80. En 1983, il réalise, sur un scénario d'Oliver Stone, Scarface, relecture du chef d'oeuvre de Hawks avec Al Pacino en baron de la drogue. Après ce film-culte, il s'inspire encore de la mythologie des gangsters pour Les Incorruptibles (d'après la fameuse série), avec Costner et De Niro, qui fait un tabac en salles. Mais un brillant casting ne garantit pas le succès -l'échec retentissant du Bûcher des vanités le prouve en 1991. En 1993, L'Impasse, film noir dont le brio est salué par la critique, marque les retrouvailles du cinéaste avec Pacino.

Considéré comme un "auteur" à l'européenne en raison de la dimension personnelle de films conçus au coeur du système, De Palma est sollicité par la star Tom Cruise pour réaliser Mission: impossible (1996), premier volet des aventures de l'agent Ethan Hunt, dérivées de la série d'espionnage du même nom. Après ce carton au box-office mondial (qui fera l'objet de suites tournées par d'autres metteurs en scène), il signe le plus complexe Snake eyes, nouvelle réflexion sur les faux-semblants. Se plaisant à revisiter les genres (citons aussi le film de guerre avec Outrages en 1990), il s'essaie en 2000 à la SF avec Mission to Mars, qui déconcerte public et critiques, tout comme Femme Fatale (2002), que ce francophile tourne entre Paris et Cannes. Ces revers n'entament en rien son amour du cinéma, qui transparaît dans le troublant Dahlia noir, adaptation du roman d'Ellroy au casting glamour, présentée à Venise en 2006.

L'année suivante, le metteur en scène dirige Redacted. L'oeuvre est engagée et dénonce le pouvoir médiatique par rapport aux évènements historiques et les mensonges qui peuvent en découler, faussant l'Histoire en manipulant les images. Bien qu'ayant reçu le Lion d'Argent de la mise en scène lors de la 64e Mostra de Venise en 2007, le film est un échec cuisant et vivement critiqué aux USA pour sa façon de dépeindre l'armée américaine. Suite à cette déconvenue, De Palma reste 5 années sans réaliser. Le cinéaste est de retour en 2012 et trouve des financements franco-allemands pour tourner Passion à Berlin. Le film est un remake du dernier film d'Alain Corneau, Crime d'amour, et met en scène Rachel McAdams et Noomi Rapace se livrant à un jeu pervers érotico-sadique.