Urodził się w Paryżu w polsko-żydowskiej rodzinie, która przeniosła się do Krakowa w 1937 roku. Ojciec Polańskiego, Ryszard Liebling (który zmienił nazwisko na Polański na prośbę swojej narzeczonej i późniejszej drugiej żony, Wandy Zajączkowskiej, po II wojnie światowej), był malarzem. Jego matka, Bula (Bella), urodziła się w Rosji. Rodzice Polańskiego byli agnostykami, jego ojciec Żydem, a matka katoliczką.
W czasie wojny był więziony w krakowskim getcie, a później ukrywał się pod nazwiskiem Roman Wilk. W 1954 roku rozpoczął studia reżyserskie w Łodzi, które ukończył bez dyplomu. W 1959 roku ożenił się z aktorką Barbarą Kwiatkowską, ale małżeństwo rozpadło się po trzech latach. Współpracował z Andrzejem Wajdą, znanym polskim reżyserem, grając w jego filmach (Pokolenie (1954), Niewinni, Zemsta).
Później wyjechał do Paryża, a zaraz po powrocie do Polski w 1961 roku nakręcił Nóż w wodzie, który był nominowany do Oscara, co otworzyło Polańskiemu drzwi do międzynarodowej kariery reżyserskiej. Wrócił do Francji, by pracować z Catherine Deneuve nad Wstrętem, jednocześnie reżyserując Cul-de-Sac, który odniósł wielki sukces w Wielkiej Brytanii. 20 stycznia 1968 roku poślubił Sharon Tate i w tym samym roku wyjechał do Hollywood. Tam zasłynął takimi filmami jak Dziecko Rosemary (1968, dwie nominacje do Oscara, jedna wygrana), Chinatown (1974, jedenaście nominacji do Oscara, jedna wygrana) z Jackiem Nicholsonem, Tess (1979, Dzięki tym filmom Polański zdobył sześć nominacji do Oscara, trzy zwycięstwa.
W dniu 9 sierpnia 1969 roku, będąca w ósmym miesiącu ciąży żona Polańskiego, Sharon Tate, została brutalnie zamordowana.
W 1978 roku Polański został oskarżony o zgwałcenie trzynastoletniej Samanthy Geimer przy użyciu narkotyków i alkoholu. W prokuraturze przyznał się do uprawiania seksu z nieletnią. Sąd dał Polańskiemu 90 dni na ukończenie projektu, ale reżyser uciekł do Paryża, gdzie nadal mieszka, przed ogłoszeniem wyroku. W swojej autobiografii Roman Polański oskarża matkę Samanthy o wrabianie córki i szantażowanie jej pieniędzmi.
W 2008 roku, kiedy prokuratura wznowiła sprawę Samanthy Geimer i Romana Polańskiego, dziewczyna złożyła wniosek do sądu z prośbą o umorzenie sprawy, aby oszczędzić jej i jej rodzinie nieprzyjemności, ale wniosek nie został uwzględniony. W najnowszym filmie dokumentalnym o Polańskim, Roman Polanski: Wanted and Desired, ujawniono kolejne dowody na to, że proces przeciwko Polańskiemu z 1978 roku został przeprowadzony w złej wierze, a wyznaczony sędzia, Laurence J. Rittenband (zm. 1993), chciał skazać reżysera, aby zwiększyć swoją popularność. Geimer przyznał, że zgodził się kochać, a kilka lat wcześniej powiedział, że wybaczył Polańskiemu i chciałby wrócić do USA.
30 sierpnia 1989 roku Geimer poślubił francuską aktorkę, modelkę i piosenkarkę Emmanuelle Seigner, z którą miał dwoje dzieci, córkę Morgan i syna Elvio.
Po premierze filmu Geimer otrzymał Złotą Palmę na Festiwalu Filmowym w Cannes za najlepszy film.
