Il a suivi ses parents d'Atlanta à Bâton-Rouge en Louisiane. Très jeune, il se fait la main avec des films au format Super 8 avec le matériel prêté aux étudiants de la LSU (Louisia State University), école où son père est doyen. Il reçoit une formation de monteur, mais continue alors à s'investir dans des projets de courts métrages et des documentaires. En 1986, il réalise un rock-documentaire sur le groupe Yes, 9012 Live, qui lui ouvre quelques portes après avoir reçu une nomination aux Grammy Awards.
Le premier film de Soderbergh, Sexe, mensonges et vidéo, qu'il a lui-même écrit (en 8 jours) et mis en scène, se voit décerner la Palme d'or au Festival de Cannes en 1989 et rencontre un grand succès. Il reste, à ce jour, le plus jeune réalisateur à avoir été palmé. Avec Quentin Tarantino, il a été le fer de lance de la reconnaissance des films indépendants dans les années 1990, illustrés notamment au Festival du film de Sundance.
Face à la pression de cette reconnaissance mondiale, il choisit des sujets variés (policier avec À fleur de peau, drame avec
King of the Hill, exercices de style par Schizopolis) qu'il aborde avec un style expérimental qui peine à trouver son public.
La reconnaissance du public et de la critique arrive une première fois avec Hors d'atteinte en 1998 et surtout Erin Brockovich, seule contre tous en 2000. Julia Roberts y tient le rôle d'un personnage existant réellement : celui d'une humble secrétaire qui mit à jour les actes de pollution d'eau d'une grande société de distribution énergétique en Californie.
À partir de là, il devient un réalisateur important et peut obtenir des castings de luxe qui viendront toujours soutenir des produits grand public et d'autres plus difficiles (Full Frontal, Solaris).
En 2000, il fonde avec son ami George Clooney la société de production Section Eight avec l'ambition de monter des projets qui leur tiennent tous deux à coeur, des films plutôt d'auteurs, tout en les protégeant du parcours normal d'un film dans un grand studio. Le premier film qui sort de cette collaboration est Ocean's Eleven. Suivront Bienvenue à Collinwood,
Loin du paradis, The Jacket, Ocean's Twelve, Confessions d'un homme dangereux, ... Section Eight a fermé ses portes en mars 2007. Les deux hommes ont avoué que la charge de travail devenait trop grande. Steven Soderbergh a indiqué qu'il préférait désormais se consacrer à la réalisation.
En 2001, Soderbergh reçoit l'Oscar du meilleur réalisateur pour son film choral et kaléidoscopique sur le narco-trafic américain :
Traffic alors qu'un autre de ses films,
Erin Brockovich, est aussi nommé dans cette catégorie. Deux de ses acteurs se voient par ailleurs couronnés d'un Oscar pour leur prestation cette année-là : Julia Roberts, sacrée « Meilleure actrice » et Benicio del Toro, récompensé comme « Meilleur second rôle ».
Toujours innovant, il n'hésite pas en 2004 à retourner vers un « tout petit » budget (1,6 million d'euros) pour un projet moins ambitieux,
Bubble, qui est le premier film à sortir en même temps dans les salles américaines et sur le support DVD.
En mai 2008, il présente en compétition à Cannes son « biopic » sur le Che Guevara, interprété par Benicio del Toro. À l'origine, Che est prévu pour sortir en deux fois dans les salles (Che - 1ère partie : L'Argentin puis Che - 2ème partie : Guerilla). Mais au festival de Cannes, il est présenté en une fois, soit 4 heures. Benicio Del Toro reçoit d'ailleurs pour son rôle le Prix d'interprétation masculine.
En 2009, il réalise The Informant!, l'adaptation du roman du même nom de Kurt Einchenwald. Ce dernier avait enquêté sur le scandale financier autour de la grande société d'agro-alimentaire américaine, Archer Daniels Midland. C'est Matt Damon qui joue Mark Whitacre, l'informateur du FBI au sein de l'entreprise. Steven Soderbergh avait exprimé son souhait d'adapter The Informant dès la fin du tournage d'Ocean's Eleven en 2002.