Il est le fils de Maurice Tourneur, illustrateur et réalisateur lui-même. Il suit son père aux États-Unis dans les années 1920, où celui-ci l'abandonne après avoir claqué la porte sur le tournage de L'Île mystérieuse.
Il débute dans le cinéma au début des années 30, comme monteur des films de son père (dont Les Gaietés de l'escadron), ou d'autres metteurs en scène. Il réalise quatre films en France à partir de 1931, avant de partir pour Hollywood en 1934. Il n'y réalise d'abord que des courts métrages, puis dirige des secondes équipes sur des films plus importants. Il n'apparaît pas dans ce cas au générique, les secondes équipes n'étant pas créditées à l'époque.
On lui confie ensuite la réalisation de longs métrages, essentiellement des séries B. Il excelle dans le film fantastique, mais réalise également westerns, films d'aventures et films noirs jusqu'à la fin des années 50. Dans ses films fantastiques, il se distingue en jouant avant tout sur le non-dit et la suggestion pour susciter l'angoisse.
Un bon exemple de sa « méthode » est la scène de la piscine, dans le film La Féline, scène reprise telle quelle dans le remake réalisé quarante ans plus tard par
Paul Schrader. Tourneur suscite une forte tension en jouant sur l'éclairage et les zones d'ombre, l'instabilité de l'environnement (l'eau de la piscine, les reflets de l'eau sur les murs), les prise de vue en plongée et contre-plongée, et la réverbération du son qui enveloppe totalement le spectateur, ce qui est un tour de force avec une bande son mono. Il passa d'ailleurs deux jours à enregistrer le son de cette scène dans la piscine (pour une durée de tournage totale de 21 jours).
Il réalise quelques autres chefs-d'oeuvre, comme
Vaudou, "Les griffes du passé" L'Homme Léopard,
Rendez-vous avec la peur ou Pendez-moi haut et court.
Il travaille ensuite pour la télévision, notamment les séries Bonanza et La Quatrième Dimension.
En 1966, il revient en France et s'installe en Dordogne, près de Bergerac où il reçoit quelques unes de ses connaissances d'Hollywood, notamment
Dana Andrews.