Polanski lengyel zsidó és orosz bevándorlók gyermekeként született 1933-ban Párizsban Raimund Liebling néven, hároméves volt, amikor családjával Krakkóba költözött. A második világháború idején deportálták őket, a fogságból a kisfiút kiszöktették, de anyját elvesztette, apjával pedig csak a háború után találkozott újra. Műszaki tanulmányokat folytatott, majd színésznek állt, 1954-től a lódzi filmművészeti főiskola rendezői szakára járt. 1961-ben készítette első játékfilmjét Kés a vízben címmel, a lélektani szerelmi drámát Oscar-díjra jelölték a legjobb külföldi film kategóriában, a kommunista kultúrpolitika azonban az alkotást nem pártolta, még a kommunista párt központi bizottságának ülésén is téma volt.
Polanski ezután külföldön dolgozott: Nagy-Britanniában horrort (Iszonyat) és thrillert (Zsákutca) forgatott, ez utóbbival elnyerte a berlini filmfesztivál legjobb filmnek járó Arany Medve díját. 1967-ben Hollywoodban készítette a Vámpírok bálja című horrorvígjátékot (a főszerepet maga vállalta második felesége, Sharon Tate oldalán), egy évvel később pedig a Rosemary gyermeke című filmet, amely a horror műfaj klasszikusa lett (ez utóbbiért először jelölték Oscar-díjra a legjobb forgatókönyv kategóriában). A rémségek azonban a való életben folytatódtak: 1969-ben terhes feleségét brutális módon lemészárolta a Charles Manson követőiből álló banda.
A megrendült rendező a munkába menekült: 1971-ben elkészítette a szöveghű és művészileg tökéletes, de brutális és véres Macbethet, 1974-ben a tizenegy Oscar-díjra jelölt Kínai negyedet, amelyet A lakó című fekete komédia követett. Neve 1977-ben szerepelt újra a lapok címoldalán, de nem művészi teljesítménye okán: kiskorú megrontása miatt indult ellene eljárás. Polanski még az ítélet kihirdetése előtt Franciaországba menekült, az Egyesült Államokban pedig elfogatóparancsot adtak ki ellene. (Szexbotrányát 2008-ban a Roman Polanski: Wanted and Desired című dokumentumfilm elevenítette fel. Ma már ötvenéves egykori áldozata, aki azóta többször hangoztatta, hogy megbocsátott Polanskinak és nem akarja, hogy a három évtizedes ügyért felelősségre vonják, idén szeptemberben adja ki emlékiratait.)
Európában készítette el az Egy tiszta nő című Thomas Hardy-regény filmváltozatát a 17 éves Nastassja Kinskivel a főszerepben, amelyért ismét rendezői Oscarra-jelölték. Forgatott krimit Harrison Forddal (Őrület) és kaland-vígjátékot Walter Matthauval (Kalózok). Keserű hold című erotikus thrillerének főszerepét harmadik felesége, Emmanuelle Seigner játszotta, 1994-ben zajos kritikai sikert aratott A halál és a lányka című thrillere.
Eddigi legnagyobb sikerét a 2002-ben készült, a varsói gettóban játszódó A zongorista című alkotásával aratta. A holokausztot a lengyel Wladyslaw Szpilman zongoraművész memoárja alapján feldolgozó, megrázó film meghozta számára a rendezői Oscar-díjat. Az első francia filmesként elnyert kitüntetést azonban nem vehette át személyesen, mert korábbi gyermekmolesztálási ügye miatt azonnal elfogták volna, amint amerikai földre teszi lábát (az aranyszobrocskát később Harrison Ford amerikai színész nyújtotta át neki Franciaországban). Az önéletrajzi elemekkel átszőtt alkotásért Polanski az amerikai filmakadémia elismerése mellett egyebek közt a cannes-i filmfesztivál Arany Pálma, a brit filmakadémia BAFTA díját, valamint a francia César-díjat is begyűjtötte.
A francia állampolgárságot szerzett rendezőt 2009 szeptemberében, amikor megérkezett a zürichi filmfesztiválra, az Egyesült Államok által kiadott nemzetközi elfogadóparancs alapján őrizetbe vették a svájci hatóságok. A kiadatása körül folyó, majd egy évig tartó jogi huzavona idején a rendező svájci villájában lakott házi őrizetben, míg az alpesi ország végül 2010 nyarán elutasította kiadatását.
Roman Polanski nevéhez fűződik a Twist Olivér című népszerű Dickens-regény 13. megfilmesítése. A Szellemíró című politikai thrillerért 2010-ben megkapta a Berlinale legjobb rendezőnek járó Ezüst Medve díját, majd az Európai Filmakadémia legjobb rendezésért járó díját is (négy évvel korábban az Európai Filmakadémia életműdíjjal tüntette ki). Polanski két éve parádés szereposztású vígjátékot forgatott Yasmina Reza francia írónő Az öldöklés istene című színdarabja alapján.
Legutóbbi filmjét (La Venus a la fourrure) az idei cannes-i filmfesztiválon mutatták be. Az alkotás a mazochizmus névadója, Leopold von Sacher-Masoch regényének (A bundás Vénusz) David Ives által írt, Tony-díjas színpadi adaptációja alapján készült, s érdekessége, hogy ez Polanski első francia nyelven forgatott filmje, amelynek egyik főszereplője a felesége.