顾长卫的父亲是他的小学老师，母亲是他的中学老师。顾长卫的堂兄是中国电影录音师顾长宁。
1989年，顾长卫与女演员蒋雯丽在一个聚会上相识。1993年，两人步入婚姻殿堂，婚后育有一子，并收养了一个女儿。
顾长卫出生于陕西省西安市，从小热爱绘画，由于父母都是教师，他受到的管制很严格。顾长卫在西安市铁一中学度过了中学生涯，期间经常跟随老师去写生。1976年，高中毕业后，待业两年，他到铁路局的工人俱乐部做义工，主要职责是为看电影的人检票，而这段生活，则让他萌发了从事电影行业的想法。1978年，考入北京电影学院摄影系，成了张艺谋、陈凯歌的同学。
1981年，顾长卫与北京电影学院1978级学生联合拍摄了电影《我们的田野》。1982年，顾长卫从北京电影学院摄影系毕业，被分配到西安电影制片厂做摄影助理。1983年，担任爱情电影《结婚》的摄影师。
1984年，担任剧情电影《海滩》的摄影师，该片由滕文骥执导，讲述了关于海滩上渔民们的故事。1986年，掌镜张子恩执导的古装武侠电影《神鞭》。
1987年，掌镜陈凯歌执导的剧情电影《孩子王》；同年，在张艺谋执导的剧情电影《红高粱》中，顾长卫担任了摄影师。1988年，凭借电影《孩子王》、《红高粱》获得了第8届中国电影金鸡奖最佳摄影奖。
1989年11月21日，由张艺谋、杨凤良执导的剧情电影《代号美洲豹》上映，顾长卫在片中担任了摄影师。1990年，担任剧情电影《菊豆》的摄影师，该片改编自刘恒的小说《伏羲伏羲》，他则获得了第8届美国夏威夷国际电影节柯达摄影奖。
1993年1月1日，由张国荣、巩俐、张丰毅领衔主演的爱情电影《霸王别姬》上映，顾长卫在片中担任了摄影师，他则凭借该片获得了第66届奥斯卡金像奖最佳摄影奖的提名；同年，掌镜文隽、周晓文执导的剧情电影《狭路英豪》。
1995年9月1日，由姜文执导，夏雨、宁静、陶虹、耿乐主演的剧情电影《阳光灿烂的日子》上映，顾长卫在片中担任了摄影师，他则凭借该片获得了第33届台湾电影金马奖最佳摄影奖。1996年，担任系列专题片《知识改变命运》的导演及摄像指导。1997年8月7日，其掌镜的剧情电影《兰陵王》上映，他则获得了第15届夏威夷国际电影节最佳摄影奖。
1998年1月23日，其掌镜的惊悚电影《迷色布局》首映。1999年，参演张元执导、李阳主演的纪录片《疯狂英语》。
2000年5月12日，由姜文、姜鸿波、香川照之主演的战争电影《鬼子来了》上映，顾长卫在片中担任摄影师；8月11日，其掌镜的剧情电影《纽约的秋天》上映。
2005年2月18日，其执导的剧情电影《孔雀》上映，这是他执导的首部电影作品，该片由张静初、吕聿来、冯粒主演，该片获得了第55届柏林电影节银熊评委会大奖，而他则获得了第6届华语电影传媒大奖最佳导演奖，并入围了最佳新导演奖。
2008年4月11日，由顾长卫执导，蒋雯丽、张瑶、李光洁联合主演的剧情电影《立春》上映。2010年，担任第82届奥斯卡的评委。
2011年5月10日，其执导的剧情电影《最爱》首映，该片改编自阎连科的长篇小说《丁庄梦》，由章子怡、郭富城、陶泽如、濮存昕联袂主演，他则获得了第20届上海影评人奖最佳导演奖、第19届北京大学生电影节最佳导演奖；12月12日，获得年度时尚先生盛典时尚先生奖。
2012年，执导个人首部微电影《龙头》，该片由阎连科、杨薇薇、王嘉佳、任思鸿主演，以纪实手法从不同角度展现生与死这一命题，而他则获得了金考拉国际华语电影节最佳长片导演奖；11月，与华谊公司签订合同，正式入驻华谊。2013年4月，顾长卫担任第3届北京国际电影节的评委。
2014年12月24日，由顾长卫执导，陈赫、Angelababy、涂彦倪联合主演的都市爱情电影《微爱之渐入佳境》上映，该片首日票房达到了3500万元人民币，最终以2.84亿元人民币的票房成绩收官。2015年12月18日，出席第15届电影频道出品电影百合奖颁奖典礼。
2017年，执导爱情喜剧电影《遇见你真好》，并担任了该片的编剧，影片于2018年3月29日上映，由白客、蓝盈莹、曹骏、蒋易主演，这也是他加入北京首映时代后的第一部作品。
2005年1月9日，顾长卫与蒋雯丽出席了为东南亚灾区赈灾的捐赠活动。2008年2月3日，顾长卫率领电影《立春》的主创，共捐出18万元给中国红十字会，用于南方雪灾救灾；5月，与蒋雯丽向汶川地震灾区捐助10万元人民币；随后，与蒋雯丽参加在安徽举行的赈灾晚会，并捐出20万给汶川地震灾区。
2011年，顾长卫与成龙等出席了在澳门举行的“群星璀璨抗艾滋慈善筹款晚宴”。2012年，身为中国民主促进会会员的顾长卫，成为了中国民主促进会第13届中央委员。
2015年11月22日，顾长卫取材于玫红色百元人民币的摄影作品“视介——顾长卫当代艺术展”在中国美术馆圆厅开幕，他将自己整套百元人民币摄影作品50件及雕塑作品5件捐赠给国家，由中国美术馆收藏。
中国电影金鸡奖
1988第8届中国电影金鸡奖最佳摄影奖《红高粱》、《孩子王》（获奖）
美国夏威夷国际电影节
1990-03第8届美国夏威夷国际电影节柯达摄影奖《菊豆》（获奖）
奥斯卡金像奖
1993第66届奥斯卡金像奖最佳摄影奖《霸王别姬》（提名）
夏威夷国际电影节
1995第15届夏威夷国际电影节最佳摄影奖《兰陵王》（获奖）
台湾电影金马奖
1996第33届台湾电影金马奖最佳摄影奖《阳光灿烂的日子》（获奖）
柏林电影节
2005第55届柏林电影节银熊评委会大奖《孔雀》（获奖）
2005第55届柏林电影节金熊奖《孔雀》（提名）
上海影评人奖
2011第20届上海影评人奖最佳导演奖《最爱》（获奖）
金考拉国际华语电影节
2013金考拉国际华语电影节最佳长片导演奖《龙头》（获奖）
中国电影导演协会表彰大会
2015-03-19中国电影导演协会2014年度表彰大会年度导演奖（提名）
华语电影传媒大奖
2006第6届华语电影传媒大奖最佳导演奖《孔雀》（获奖）
2006第6届华语电影传媒大奖最佳新导演奖《孔雀》（提名）
北京大学生电影节
2012第19届北京大学生电影节最佳导演奖《最爱》（获奖）
年度时尚先生盛典
2011-12-12年度时尚先生盛典时尚先生奖（获奖）
顾长卫为人随和、低调，而且极富亲和力。对采访时，虽然话不多，但说话时的语气却很柔和，对于每一个问题，他都回答得很透。他把一切都放在了心里，沉淀到了岁月中，看不到却能感受到他的强大。顾长卫不太会表达自己，不习惯说煽情的话，即便是表达最原始的情感，也只能做到内心热浪翻腾，表面依然平静。顾长卫的才华得到了充分的发挥，他的《海滩》、《孩子王》、《红高粱》等摄影作品内涵丰富，风格清丽，拍出了大自然的生命感，他创造性地运用摄影造型手段，展现了具有震撼力和意境深远的视觉形象。。
顾长卫是个既富有才华的天才，又加之勤奋努力。他给人们的印象似乎是不善言谈，箴言缄口，实际上他来了兴致却会滔滔不绝，纵横捭阖。谈吐间一个创意接着一个创意，可称之创意大师。他的许多奇思妙想都会让人茅塞顿开，耳目一新。正是由于他极善于观察生活细节勇于思考，勤于读书，积淀着丰厚的文学艺术素养，才能在似乎极平常的言语谈吐中，常常爆出极具创意的石破天惊的构想。顾长卫的百元摄影作品魅力不仅仅在于探索微观形式美的放大，还把人们的视线从熟知的百元人民币的形象中带入陌生的审美视野，更深层的意义还在于艺术作品里充盈着真善美的正能量，蕴含着深刻的内涵。
顾长卫毕业于北京电影学院摄影系，镜头语言的表达是他的强项。顾长卫借用高科技技术手段，以影视的拍摄技巧及蒙太奇的拍摄手法，展现出其独具匠心的艺术创作风格。通过展现多角度与情感这一特殊方式，引领观众进入他的艺术世界。
