Après des études secondaires, il réussit en 1964, après deux tentatives infructueuses, le concours d'entrée de l'École nationale de cinéma de Lódz. Il se fait remarquer pour ses dons et son charisme. Il en sort diplômé en 1969.
Il n'aborde pas la fiction, considéré alors comme un mode bourgeois, mais le documentaire, plus en conformité avec le modèle économique de la Pologne de l'époque. Il en réalise une vingtaine, sous forme de court-métrages, de moyens-métrages ou de documentaires de télévision. Bien intégré dans la société polonaise, il se servira de ses films pour dévoiler les incohérences internes du système. On trouve ainsi généralement dans ses documentaires d'un côté, des individus, riches de leurs forces, de leur détermination et de l'autre la bureaucratie décalée et inopérante par rapport à cette force vive.
Ses choix artistiques sont une réponse personnelle à l'opacité du système, à la propension de ce dernier à faire taire la contestation et à enfermer la société dans un non-dit collectif. « Ce qui m'intéressait en Pologne pendant les années 70, c'était le monde non représenté. Je voulais décrire ce monde. Vous ne savez pas ce que c'est en France de vivre dans un monde sans représentation ». Il s'agit donc pour lui de ne montrer que ce qui est autorisé par la censure, mais en accentuant, par le montage, le son, les choix de prise de vue, les aspects de la réalité qui laissent deviner les rouages implicites du système et les sentiments profonds des individus. La finesse et la force de son regard, la façon dont il le communique au spectateur, malgré les grilles de la censure, font de lui « un des plus grands documentaristes de l'après guerre ».
La transition vers un mode plus narratif se fait avec un moyen-métrage, Passage Souterrain, 1973 et des documentaires de fiction, Premier Amour, 1974, et Curriculum Vitae, 1975. Suivront un premier téléfilm, Le Personnel, 1975, et un long métrage pour le cinéma,
La Cicatrice, 1976, très proche encore du documentaire social avec des passages « réunions du parti ».
En 1976, il réalise un autre téléfilm pour la télévision polonaise, Le Calme. Ce sera aussi le premier à être censuré, sa diffusion n'ayant finalement lieu qu'en 1980. Les travers du communisme apparaissent à travers l'histoire d'un ouvrier, victime des petits chefs que le système suscite et encourage. Pendant toute cette période, Kieslowski continue de tourner des documentaires pour la télévision.
Le long métrage suivant, L'amateur, 1979, est considéré comme sa première réussite dans le domaine de la fiction. Un ouvrier achète une petite caméra pour faire des films de famille. Ce loisir devient vite une passion, au début couronnée de succès. Le cinéaste amateur commence à être connu, mais est confronté au conformisme social et politique. Réflexion sur l'image, les perspectives qu'elle ouvre, mais aussi ses liens ambigus avec la vie privée et publique d'un cinéaste, ce film est une oeuvre charnière dans la carrière du réalisateur.
En 1981, il réalise Le Hasard. A son originalité formelle (trois versions du destin du personnage principal son successivement proposées à l'écran), se joint une critique implicite des effets néfastes du communisme (corruption, délation...) qui vaudra au film, achevé la veille de la proclamation par le général Jaruzelski de la loi martiale, d'être interdit jusqu'en 1987.
Entretemps, il met en scène
Sans fin, qui a pour toile de fond les débuts contrariés de Solidarno?? et l'application de la loi martiale en Pologne en 1982. Réalisé en 1984, le film est saisi six mois par le pouvoir avant de sortir en juin 1985. Il marque le début de son travail avec l'avocat Krzysztof Piesiewicz, qui sera désormais son scénariste attitré. Les histoires qu'il écriront ensuite, et notamment celles du décalogue, seront fécondées par leurs échanges d'idées et leurs expériences respectives.
En 1988, il met en scène, pour la télévision polonaise, dix téléfilms (cycle du Décalogue) qui sont autant de variations personnelles sur le thème du Décalogue. L'un d'eux, Tu ne tueras point, est présenté dans une version cinématographique au Festival de Cannes la même année et remporte le prix du jury. Brève histoire d'amour (6e film du décalogue), est également présenté en version longue dans les festivals et en salle. Ces deux long-métrages, et surtout l'ensemble unique que constitue le projet du Décalogue, lui apportent la célébrité mondiale. Peu de temps après, la fin du régime communiste en Pologne lui donne une plus grande liberté de création, de déplacement et la possibilité de réaliser des films en Europe occidentale.
Kie?lowski réalise ensuite La Double Vie de Véronique puis la trilogie Bleu, Blanc, Rouge, portant sur les trois termes de la devise de la France : « Liberté, Égalité, Fraternité ». Ces trois derniers films sont des coproductions franco-polonaises. Il connaît de nouveau, avec ces films, le succès critique et public, et remporte de nombreuses récompenses.
De santé fragile, il annonce à Berlin sa décision de ne plus réaliser de film. Il veut se tourner vers l'écriture et la production. Il démarre ainsi l'écriture d'une nouvelle trilogie : Le paradis, l'enfer et le purgatoire.
Il meurt prématurément, le 13 mars 1996 à l'âge de 55 ans, à Varsovie. De sa dernière trilogie, consacrée au ciel, à l'enfer et au purgatoire, il aura eu le temps d'écrire le premier épisode,
Heaven, qui sera adapté, après son décès, par
Tom Tykwer. Le scénario de l'enfer sera finalisé par Krzysztof Piesiewicz et mis en scène par Danis Tanovi? (l'Enfer, 2005).