Ha dirigido videoclips para Fangoria, OBK, Camela o Nena Daconte, entre otros, así como anuncios televisivos.
Conoció a Guillermo del Toro en el Festival de Cine de Sitges, donde se hicieron amigos y pactaron una posible colaboración en el futuro.
Inició su debut como director de cine con "El orfanato", con la que ganó 7 Goyas, entre ellos el de director novel de cine. Del Toro se convirtió en el productor de la cinta.
La película "Lo imposible", sobre el tsunami que arrasó Asia en 2004, costó 30 millones de euros.
El film se convirtió, en sus primeros 11 días de taquilla, en la cinta más vista en España en 2012.
Fue uno de los candidatos para dirigir La saga "crepúsculo: Eclipse", aunque finalmente no aceptó porque no estaba interesado en el proyecto.
Durante la entrega de los premios Goya 2013 sufrió una rotura fibrilar en la pierna y se le extravió el teléfono móvil.
El Goya ganado a la mejor dirección por "Lo imposible" se lo regaló a la persona que le inspiró la película, María Belón, quien lo lanzó al mar en honor a las víctimas del tsunami de 2004.
La fama y el reconocimiento de la ya nombrada película le valió un pasaporte directo a los estudios de Hollywood.
En 2014 dirigió los dos primeros capítulos de la serie televisiva estadounidense "Penny dreadful".
En 2013, recibió el Premio Nacional de Cinematografía.
En 2017 ganó el Premio Goya por tercera vez, gracias a "Un monstruo vino a verme".
Está dirigiendo la próxima entrega de la saga Parque Jurásico, "Jurassic Park: El reino caído".
El filme se estrena en junio de 2018.
Reconoce que su hermano gemelo se ha hecho pasar por él alguna vez en público.