Enfant, il suit son père géologue en Colombie. Il choisit la France pour mener ses études (jusqu'au baccalauréat au lycée Condorcet et au lycée Henri-IV, puis à l'université de la Sorbonne où il étudie la philosophie). Il collabore alors à la revue cinématographique Les Cahiers du cinéma dont l'ébullition est en train d'accoucher de la Nouvelle Vague.
Il réalise deux courts-métrages et Jean-Luc Godard le prend comme assistant dans Les Carabiniers. Convaincu de sa voie, il fonde en 1962 avec Éric Rohmer la société de production Les Films du Losange et produit les premiers films de l'ex-rédacteur en chef des Cahiers ainsi que la quasi totalité des films de Rohmer. Barbet Schroeder produit également des films de Jacques Rivette, Jean Eustache, Rainer W. Fassbinder et Wim Wenders.
Franchissant une nouvelle étape, Barbet Schroeder collabore avec les Pink Floyd pour
More (1969) et La Vallée (1972), deux films qui donnent une grande place au thème de la liberté dans des décors représentatifs de la culture hippie. En 1974, il réalise un documentaire sur Idi Amin Dada dans lequel il révèle le dictateur. Il fait ensuite partie des cinéastes français, tel Jacques Demy, payés par les studios d'Hollywood pour écrire et réaliser des films aux États-Unis. Alors que la plupart repartiront sans rien réaliser, Barbet Schroeder s'accroche. Admirateur de Charles Bukowski, il commande à celui-ci le scénario de Barfly. Des années passent en vain à convaincre les studios de réaliser le film. Un jour, Barbet Schroeder entre dans le bureau du producteur avec une scie électrique et menace de se couper un doigt s'il n'obtient pas les crédits nécessaires.
Il gagne un succès d'estime pour Barfly et l'amitié de Bukowski. En outre, le film lui assure une reconnaissance certaine et lui permet de réaliser Le Mystère von Bülow (1990) pour lequel il est sélectionné aux Oscars. Il réalise ensuite plusieurs autres films aux États-Unis avant de revenir en France.