Originaire d'une famille d'artistes (sa mère était pianiste, son frère Antonio Saura était peintre), il développe pendant son enfance le sens artistique appliqué à la photographie. À Madrid, en 1957, il obtient le diplôme de réalisateur de l'Institut de Recherches et d'Études cinématographiques, dont il devient professeur jusqu'en 1963.

En 1957-58 a lieu le tournage de son premier film documentaire, Cuenca. En 1960, avec Golfos (Les Voyous), il décrit le problème de la délinquance des jeunes dans les quartiers démunis de Madrid. En 1963, avec le film Llanto por un bandido, il réalise une reconstitution historique. En 1965 son style, à la fois lyrique et documentaire, centré sur les problèmes des plus démunis, reçoit la reconnaissance de la communauté internationale au Festival de Berlin, où il reçoit l'Ours d'argent pour son film La Caza (La Chasse). En 1967, son film Peppermint frappé est à nouveau premier à Berlin.

Les films La Prima Angélica (La Cousine Angélique, 1973) et Cría cuervos (1975), qui traitent avec subtilité de la société franquiste, reçoivent le Prix Spécial du Jury au Festival de Cannes. Son film Mama cumple 100 años (Maman fête ses cent ans) est nommé à l'Oscar du meilleur film en langue étrangère en 1979.

En 1991, il est enfin reconnu dans son pays et reçoit les Prix Goya du meilleur réalisateur et du meilleur script pour son film ¡Ay, Carmela! (1990). Il est choisi comme réalisateur pour mettre en scène le film officiel des Jeux Olympiques de Barcelone en 1992, Marathon.

Aujourd'hui, Carlos Saura est considéré comme l'un des classiques de l'histoire du cinéma contemporain européen. Il a su retracer l'évolution de la société lors de la transition démocratique espagnole et son opposition à la dictature franquiste.