Ceylan İstanbul'da doğdu. Boğaziçi Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği bölümünden mezun olduktan sonra Mimar Sinan Üniversitesi’nde iki yıl sinema eğitimi gördü. 1980'lerde kimi portfolyoları Gergedan gibi dönemin nitelikli kültür ve sanat dergilerinde yayınlandı.
Sinemaya "Koza" adlı kısa filmiyle adımını atan Ceylan bu filmiyle, Cannes Film Festivali'nin ilgili bölümüne katılma başarısını gösterdi. Ceylan 1997'de ilk uzun metrajlı filmi olan ve başta Berlin Film Festivali olmak üzere pek çok dünya festivalinde gösterilen üç bölümlü, otobiyografik ve pastoral "Kasaba" filmini, 1999 yılında da bir meta-film olan ve ilk iki filmdeki otobiyografik izleği sürdüren ve büyük başarı kazanan "Mayıs Sıkıntısı"nı çekti. Film, Berlin Film Festivali'nin yarışmalı bölümünde gösterilmişti.
56. Cannes Film Festivali’nde yarışan ve favori filmler arasında gösterilen Nuri Bilge Ceylan’ın 2002 yapımlı dram filmi "Uzak", Altın Palmiye’den sonra festivalin ikinci önemli ödülü olan ‘Büyük Jüri Ödülü’nü (‘Grand Prix’) aldı. Ceylan'ın dördüncü uzun metrajı "İklimler", 2006 Cannes Film Festivali'nin yarışma bölümüne kabul edildi. 2008 yapımı "Üç Maymun" filmi ise Cannes Film Festivali’nde, "En İyi Yönetmen" ödülünü getirdi. 2010'da çektiği ve Türkiye'de de çok olumlu eleştiriler alan "Bir Zamanlar Anadolu'da" filmiyle yine Cannes film festivalinde Büyük Jüri Ödülü'nü Le Gamin au Vélo filmiyle paylaştı.
4 yıl aradan sonra sinemaya Kış Uykusu filmi ile dönen Ceylan, Bir Zamanlar Anadolu'da filmine benzer bir mekanda çektiği ve 3 saati aşan uzunluğuyla dikkat çeken bu filmle, kariyerinde ilk kez Altın Palmiye Ödülü'nün sahibi oldu. Jüri başkanı Jane Campion'un büyük övgülerde bulunduğu bu filmiyle Ceylan, 1982'de Yol ile Altın Palmiye alan Yılmaz Güney'in ardından bu önemli ödülü kazanan ikinci Türkiyeli yönetmen oldu.
Filmlerinde yakaladığı başarılı karelerle bilinen Ceylan, bu yönüyle ünlü Sovyet yönetmen Andrey Tarkovski'yle benzerlikler taşımaktadır. Ceylan, yaptığı filmlerin genellikle yönetmenliğini, senaristliğini ve yapımcılığını aynı anda üstlenmektedir.