Родился в польской семье в Париже в 1933 году, вырос в Польше, учился в Высшей школе искусств в Кракове, а также в Высшей школе кинематографии в Лёдзе. В 14 лет дебютировал на сцене, и его можно было услышать в популярной радиопередаче «The Marry Gang». Еще в подростковом возрасте он снялся в нескольких фильмах, в том числе в фильме Анджея Вайды «Поколение». В 25 лет он снял в Польше свой первый короткометражный фильм «Двое мужчин со шкафом», затем последовали «Когда падают ангелы» (1958), «Толстый и худой» (1961) и «Млекопитающие» (1962). Его первый полнометражный фильм 1962 года «Нож в воде» одновременно получил награду критиков на Венецианском кинофестивале и был номинирован на премию Оскар как «Лучший иностранный фильм». Его первый англоязычный фильм – это работа 1964 года «Отвращение» с Катрин Денев, лауреат Серебряного медведя на Берлинском кинофестивале, за ним последовал «Тупик» (Золотой медведь в 1965 году). В следующем фильме «Бесстрашные убийцы вампиров» («Бал вампиров» 1967г.) Роман Полански также сыграл одну из главных ролей. Американский кинодебютом Полански стал фильм «Ребенок Розмари» (1968), затем в Европе он поставил свою версию «Макбет», комедию «Что?» и «Жилец», где сам сыграл главную роль. После возращения в Голливуд он снял «Китайский квартал» с Джеком Николсоном, этот фильм был номинирован на 11 премий киноакадемии и получил Оскар в номинации «Лучший сценарий». Его следующий фильм «Тэсс» (с Настасьей Кински) получил трех Оскаров, фильм «Пираты» последовал за триллером «Неистовый» с Харрисоном Фордом и Эммануэль Сенье, для нее этот фильм стал дебютом. В 1992 году, выйдя замуж за Романа Полански, она сыграла в «Горькой луне» и затем с Джонни Деппом в фильме «Девятые врата». «Пианист» (2003) был награжден тремя премиями Оскар – в том числе в номинации «Лучший режиссер», и Золотой пальмовой ветвью в Каннах. Наконец, появились «Оливер Твист», также с Беном Кингсли и снятый на острове Зильт «Призрак» с Эваном Макгрэгором и Пирсом Броснаном. В 1999 году Роман Полански стал членом Академии изящных искусств в роли преемника Марселя Карне.
Среди театральных работ Полански: опера Албана Бергса «Лулу» на фестивале в Сполето, «Риголетто» Верди в Мюнхенской государственной опере и «Сказки Гофмана» в опере Бастилия в Париже. В 1981 году Полански сам сыграл главную роль в постановке «Амадеус» Петера Шеффера сначала в Варшаве, а затем в Париже. В сценической версии «Превращения» Кафки, поставленной Стивеном Беркоффом он также сыграл главную роль. В 1996 году он поставил «Мастеркласс» Теренса Макнелли, а в следующем году в Вене состоялась премьера «Бала вампиров» в театре Раймунд, постановка затем отправилась в Штутгарт и Гамбург, Берлин и Оберхаузен, в то время как другие постановки появлялись в Эстонии, Польше, Венгрии и Японии. В 2003 году он поставил «Геду Габлер» Генриха Ибсена, стал режиссером «Дебюта» Джона Патрика Шэнли в 2006 году в Париже, сыграл на стороне Жерара Депардье в «Чистой формальности» Джузеппе Торнаторе и вскоре появился в главной роли в фильме Анджея Вайды «Месть». В 2007 году он сыграл в фильме Бретта Ратнера «Час пик 3», а в 2008 году в фильме Антонио Луиджи Гримальди «Тихий хаос».