祖籍江苏。生于陕西西安。1978年，考入北京电影学院摄影系。1982年，毕业后分配到西安电影制片厂担任摄影助理。1984年，在滕文骥导演的《海滩》中担任摄影师。

顾长卫在《孩子王》拍摄现场

顾长卫在《阳光灿烂的日子》拍摄现场

1987年，在陈凯歌执导的《孩子王》中担任摄影师，其静态摄影内涵丰富，风格清丽。同年，在张艺谋执导的《红高粱》中担任摄影师，其摄影洒脱张扬，通过创造性地运用摄影造型手段，拍出了大自然的生命感，展现了具有震撼力和意境深远的视觉形象。凭借《孩子王》和《红高粱》，顾长卫获第8届中国电影金鸡奖最佳摄影奖。1993年，在《霸王别姬》中担任摄影师，获第66届美国电影奥斯卡奖最佳摄影奖提名。1994年，在《阳光灿烂的日子》中担任摄影师，获第33届台湾电影金马奖最佳摄影奖。2005年，首度执导影片《孔雀》，获第25届中国电影金鸡奖最佳导演处女作奖提名、第55届德国柏林国际电影节银熊奖。2009年，导演影片《最爱》，获第20届上海影评人协会奖最佳导演奖、第19届北京大学生电影节最佳导演奖。

他担任摄影师的作品还有《大明星》（1985）、《神鞭》（1986）、《代号美洲豹》（1989）、《菊豆》（1990）、《边走边唱》（1991）、《狭路英豪》（1993）、《兰陵王》（1997）、《鬼子来了》（2000）、《纽约客的秋天》（2000）等。他导演的作品还有《立春》（2008）、《龙头》（2012）、《微爱之渐入佳境》（2014）、《遇见你真好》（2018）等。他和张艺谋、陈凯歌等人长期合作，为中国电影走向世界做出了重要贡献。2012年，任中国民主促进会（民进）第十三届中央委员。曾任中国电影家协会理事、北京国际电影节评委、美国电影奥斯卡奖评委等。