Narodil se polsko-židovské rodině v Paříži, která se roku 1937 přestěhovala do Krakova. Jeho otec Ryszard Polański (Liebling) byl polský Žid, jeho matka Bula Polańská (roz. Katz) se narodila v Rusku, otec byl Žid a matka katolička, ona sama měla katolickou výchovu. Druhou světovou válku prožil v krakovském ghetu, později ve vesnici Wysoka u Wadovic, kde ho schovávali pod jménem Roman Wilk.

Od roku 1948 vystupoval v divadle, na plátně se objevil poprvé roku 1953. Roku 1954 začal studovat režii na filmové škole v Lodži. Školu dokončil, ale nezískal diplom. Roku 1959 se oženil s herečkou Barbarou Kwiatkowskou (debutovala ve filmu Ewa chce spać), rozvedli se roku 1962. Potom odjel do Paříže. Domů se vrátil roku 1961 a natočil svůj první dlouhometrážní film Nůž ve vodě, psychologické drama trojice hrdinů, manželů a cizího studenta, na moři. Film byl nominován na Oscara, autora mezinárodně proslavil a otevřel mu dveře k mezinárodní kariéře. Vrátil se do západní Evropy, pracoval především ve Francii a Velké Británii. Roku 1968 se podruhé oženil s americkou herečkou Sharon Tate. Ve stejném roce odjel do Hollywoodu. Dne 9. srpna 1969 byla těhotná Sharon Tate zavražděna sektou Charlese Mansona.

Roku 1978 po obviněních ze zneužití nezletilé opustil Spojené státy a vrátil se do Paříže. Od roku 1989 je ženatý s francouzskou herečkou a modelkou Emmanuelle Seignerovou, se kterou má dvě děti, dceru Morganu a syna Elvise. V roce 2007 se podílel na Vangelisově projektu k 25. výročí úspěšného filmu Blade Runner, kde emotivně recituje na CD píseň Spotkanie Z Matką od polského básníka Konstanty Ildefonse Gałczyńského.

Dne 26. září 2009 byl Polanski zatčen v Curychu, kde měl na filmovém festivalu převzít cenu za celoživotní dílo. Zatčen byl na základě amerického zatykače z roku 1978 v souvislosti se zneužitím nezletilé dívky v roce 1977. Nicméně, Švýcarsko jej odmítlo vydat do USA a stejným způsobem na opakovanou americkou žádost reagovalo rovněž Polsko. V současnosti Polanski připravuje ve Varšavě natočení filmu o Dreyfusově aféře.