Après des études de lettres et de droit, il devient avocat au Barreau de Toulouse, puis de Paris. Mais il décide rapidement de se reconvertir dans le journalisme et l'écriture. Il publie six romans et collabore à deux scénarios, Entrée des artistes (1938) de Marc Allégret et
Remorques (1941) de Jean Grémillon.
Sa carrière cinématographique commence en 1942 avec
La Fausse Maîtresse, adapté d'un roman de Balzac. Il continuera avec des adaptations de classiques français, puis des films populaires. En 1950, avec
Justice est faite, montrant un jury d'assises prisonnier de ses préjugés, il se lance dans l'analyse de la justice, de ses rouages et de ses enjeux.
Nous sommes tous des assassins (1952), Avant le déluge (1954) ou encore
Le Dossier noir (1955) sont de la même veine.
André Cayatte a plaidé contre la peine de mort dès 1922. Cette requête contre « l'imbécile peine de mort », Cayatte la portait en lui depuis que son cousin, nouvel aumônier de prison à Carcassonne, devait assister à la mort d'un condamné. Le jeune prêtre qui avait en vain supplié qu'on le déchargeât de cette mission, ne dormit pas de la nuit et s'effondra quand la tête tomba dans le panier. Le jeune prêtre est mort, il n'avait pas supporté cet odieux spectacle . L'ensemble de son oeuvre sera un long plaidoyer pour une justice plus humaine, moins aveuglément soumise aux règles et aux rites qui la rendent impitoyable.
Il continuera ensuite, jusqu'à sa dernière oeuvre au cinéma en 1978, à filmer des problèmes de société, voire des sujets brûlants, comme la liaison d'une femme enseignante avec l'un de ses jeunes élèves (Mourir d'aimer, 1971), ou encore l'isolement d'un enseignant accusé de pédophilie (
Les Risques du métier, 1967).
André Cayatte meurt en 1989, quelques jours après son 80e anniversaire.