Il débute dans les médias à l'âge de 21 ans, en tant qu'animateur radio d'une émission de trois heures concernant le rock sur les ondes de WFM, la plus populaire des radios mexicaine. Suite à ce succès, il décide de se lancer dans le cinéma. Il devient directeur artistique de Télévisa. Il réalise des dizaines de publicités et est récompensé en 1997 pour sa campagne pour WFM. En 1991, il crée la Zéta Films, une société de production audiovisuelle.
Ensuite, pour finir son apprentissage, il part pour les États-Unis, où il devient scénariste. Il rencontre alors Guillermo Arriaga. Deux ans plus tard, il réalise son premier long métrage Amours chiennes. Ce film a été souvent primé et nommé, par exemple dans la catégorie Meilleur film étranger aux Oscars. En 2003, il réalise 21 Grammes, son deuxième long métrage. Puis, toujours au-devant de la scène, il revient avec
Babel, primé au Festival de Cannes.
Parallèlement il participe à des projets collectifs dont 11'09"01. Il y réalise un film/expérience presque uniquement sonore en remontant plus de soixante pistes sonores en rapport avec les attentats du 11 septembre 2001 qu'il transforme en véritable bande-sonore. Il a dernièrement participé au film Chacun son cinéma, oeuvre collective en l'honneur des soixante ans du festival de Cannes.
C'est un ami proche de deux autres cinéastes mexicains de premier plan, Alfonso Cuarón et
Guillermo Del Toro.