Après ses études à l'Institut des Hautes Études Cinématographiques il était pour un long temps l'assistant de
Marcel Camus et de
Jean-Paul Le Chanois. Il tourna son premier film majeur Le Petit Garçon de l'ascenseur en 1961. Jusqu'à 2006, plus de quarante films et productions télévisées ont suivi en travaillant avec des acteurs bien connus comme
Simone Signoret,
Lino Ventura,
Jean Gabin,
Alain Delon et
Romy Schneider. Il a également tourné pour la télévision plusieurs épisodes de Maigret avec
Bruno Cremer.
Parmi ses films les plus connus on peut citer le drame
Le Chat (1971) de
Georges Simenon avec Jean Gabin et Simone Signoret dans les rôles principaux et le film policier
Adieu poulet (1975) avec Lino Ventura et
Patrick Dewaere. Pour le film Une étrange affaire, dans lequel un employé (joué par
Gérard Lanvin) la séduction subtile de son patron (Michel Piccoli) succombe à la perte d'identité, Granier-Deferre a reçu le Prix Louis-Delluc, pour le film Etoile du Nord on l'a proposé pour le César du cinéma.
Il était entre 1967 et 1974 marié à l'actrice britannique
Susan Hampshire, sa seconde épouse était l'artiste de cirque et actrice
Annie Fratellini. Pierre Granier-Deferre avait cinq enfants et il était grand-père cinq fois.
Granier-Deferre est mort après une hospitalisation de plusieurs semaines en novembre 2007 à l'âge de 80 ans.