1941. június 27-én született Varsóban építészmérnök apa és irodai alkalmazott anya fiaként. Gyermekkora hányatottan telt, tüdőbeteg apja szanatóriumi kezelése miatt sokat költöztek. A varsói színházi szakközépiskolát elvégezve színházi öltöztetőként dolgozott, s csak harmadszorra sikerült bejutnia a híres lódzi filmművészeti főiskolára, ahonnan Roman Polanski és Andrzej Wajda karrierje is elindult. Pályáját dokumentumfilmekkel kezdte, műveiben kendőzetlenül ábrázolta a kommunista Lengyelország erkölcsi és politikai válságát.
Első televíziós játékfilmjét 1973-ban (A kőműves), első színes, egész estés tévéfilmjét (Életrajz) két évvel később forgatta. Első játékfilmje, a Sebhely az 1970-es gdanski eseményeket, a munkások és a politikai vezetés konfliktusát idézte. Nemzetközileg ismertté Amatőr című, egy szabadidejében a valóságot kutató amatőr filmesről szóló játékfilmje tette, amelyért 1979-ben megkapta a moszkvai filmfesztivál nagydíját és a Filmkritikusok Nemzetközi Szövetsége (Fipresci) díját.
Véletlen című filmjét 1981-ben kezdte forgatni, de a szükségállapot bevezetése miatt csak 1984-ben tudta befejezni. Alkotása a "morális nyugtalanság" terméke, a társadalmi helyzetből adódó erkölcsi problémákkal foglalkozik, egyben filozófiai szemléletváltozását is mutatja: alapgondolata szerint a véletlen befolyásolhatja az ember életének alakulását, de a lényeg az embertől önmagától függ. Mivel a Szolidaritás létrejötte idején a lengyel filmszövetség alelnöke volt, rendezői munkája csaknem ellehetetlenült. 1984-ben még elkészíthette Befejezés nélkül című filmjét, amely a halál utáni élet kérdését boncolta, majd a kényszerű hallgatás évei következtek, ez idő alatt Berlinben, Helsinkiben és Svájcban oktatott.
Forgatókönyvíró-társa, Krzysztof Piesiewicz adta számára az ötletet, hogy a lengyel valóságba helyezve foglalkozzon a bibliai Tízparancsolattal. A szeretet, a halál és az abszolútum egyetemes kérdéseit feszegető tévésorozat két részéből mozifilmet is készített Rövidfilm a szerelemről és Rövidfilm a gyilkolásról címmel. Utóbbi - amely egy taxisofőr meggyilkolásáról és a tettes kivégzéséről szól, s nem tesz különbséget a bűntett és a megtorlás között - a Cannes-i Filmfesztiválon elnyerte a zsűri díját és a Fipresci-díjat, és 1988-ban a legjobb európai filmért járó Félix-díjat is átvehette érte.
A rendszerváltás után francia koprodukcióban készült a Veronika kettős élete, amely különös történetet dolgoz fel: a két Veronika egy napon születik, külső megjelenésre azonosak, életútjuk is sokban hasonlít, de a lengyel Weronika meghal abban a szívbetegségben, amelyet a francia Veronique túlél. A film üzenete, hogy nem vagyunk egyedül, óvatosan és környezetünkre figyelve kell élnünk, mert minden tettünk következményekkel jár. Az alkotást Cannes-ban 1991-ben Fipresci-díjjal ismerték el.
A kilencvenes években forgatta Három szín című trilógiáját. A francia trikolór színeire rímelő három filmben a szabadság - egyenlőség - testvériség eszme nyomát kutatva egyre mélyebbre merült az emberi lélek útvesztőiben. A Kék, amelynek főszereplője a zeneszerző férjét és ötéves kislányát egy autóbalesetben elvesztő asszony, 1993-ban megkapta a velencei filmfesztivál fődíját, az Arany Oroszlánt. A Fehér, amelyben egy varsói fodrász a válás után visszaszerzi francia exfeleségét, a Berlinalén a legjobb rendezésért járó Ezüst Medve díjat nyerte el 1994-ben. A legnagyobb sikert a befejező rész, a Piros aratta, amely egy nyugdíjas, az emberiségből kiábrándult bíró és egy huszonéves manöken születő barátságát meséli el. E művéért 1994-ben Kieslowskit rendezőként és forgatókönyvíróként és az operatőr Piotr Sobocinskit is Oscar-díjra jelölték. (Sobocinski legutóbb Mészáros Mártával dolgozott a rendezőnő új filmje, az Aurora Borealis - Északi fény forgatásán.)
A trilógia után bejelentette visszavonulását, mondván: "Ez a legjobb módszer arra, hogy ne essek le a magasból." Azt is hozzátette, hogy egyetlen filmjét sem sikerült úgy megrendeznie, ahogy szerette volna. Utolsó éveit Lengyelországban töltötte, s nekilátott új trilógiája, a Mennyország, Tisztítótűz, Pokol forgatókönyvének megírásához. Csak a vázlatok készültek el, amikor 1996. március 13-án szívroham következtében elhunyt. Kollégája, a szintén világhírű rendező Krzysztof Zanussi úgy jellemezte: a rendkívüli őszinteség, a rendkívüli bátorság és a rendkívüli függetlenség megtestesítője volt.
A lengyel és az egyetemes filmművészet egyik legkülönlegesebb alkotójának nevével nemzetközi forgatókönyvdíjat alapítottak. Halála után több forgatókönyvét vitték filmre, A gyilkosok a mennyországba mennek című dráma forgatókönyvéért 2002-ben posztumusz jelölték Európai Filmdíjra. Danis Tanovic bosnyák rendező, aki a Senkiföldjéért 2002-ben a legjobb külföldi filmnek járó Oscar-díjat nyerte el, a Pokol vázlatát használta fel 2005-ben forgatott, azonos című filmjéhez.