Musicien de formation, il accompagne des artistes tels que Françoise Hardy ou Daniel Darc, dans les années 90, tout en réalisant ses premiers courts métrages. Son premier long-métrage, Quelque chose d’organique, est présenté au Panorama du Festival de Berlin en 1998. Son film suivant, Le Pornographe, obtient le prix FIPRESCI à Cannes en 2001. Suivent Tiresia (2003) et De la guerre (2008), ainsi qu’un court-métrage remarqué, Cindy : The doll is mine, où Asia Argento interprète un personnage inspiré de Cindy Sherman. En 2011, L’Apollonide : Souvenir de la maison close (en compétition à Cannes) est un grand succès critique. Son avant-dernier film, Saint Laurent, d’après la vie du couturier, est sélectionné à Cannes en 2014 et obtient dix nominations aux César. Parallèlement, il compose la musique de ses films et a sorti trois albums, dont le dernier, Accidents, en 2014.
Le cinéaste revient en 2016 avec Nocturama, thriller relatant des attaques terroristes à Paris par un groupe de jeunes.
