Em 1954 cursa a Escola de Cinema de Moscou e, em 1962, realiza o primeiro longa-metragem, A Infância de Ivan, que lhe rende o Leão de Ouro do Festival de Veneza. O filme conta as proezas de um jovem órfão nas tropas da linha inimiga durante a guerra.
Enfrenta problemas com as autoridades soviéticas com Andrei Rublev (1966). Considerada antinacionalista, a fita apresenta um retrato dessacralizado da Rússia medieval, chocando as autoridades russas. A censura política proíbe sua exibição no exterior por cinco anos. Quando liberado, é aclamado como o produto cinematográfico soviético mais importante da época.
A ficção científica Solaris (1972) ganha prêmio especial do júri em Cannes. Por causa das dificuldades com o regime soviético, muda-se para a Itália no início dos anos 80. Sua obra se caracteriza por planos longos e ritmo lento, como em Stalker (1979) e Nostalgia (1982). Termina o último trabalho, O Sacrifício (1986), gravemente doente. Morre em Paris.