Nato in Brasile, è laureato in architettura.
All'università ha lavorato alle sue prime produzioni sperimentali, con una troupe di amici. I loro progetti hanno vinto diversi premi nei festival del paese.
Con lo stesso gruppo di amici, ha fondato la società Olhar Eletrônico, portando a nuova vita la televisione brasiliana negli anni ottanta. Per una decina d'anni hanno prodotto una serie di programmi per le televisioni brasiliane. Nel 1989 Meirelles ha ideato e diretto la popolare serie per bambini Rá-Tim-bum, per la televisione pubblica brasiliana. La serie, di 190 episodi, ha vinto la Medaglia d'Oro al New York Film and Television Festival, oltre ad altri numerosi riconoscimenti.
Più avanti ha cominciato a dirigere spot pubblicitari e video promozionali. La sua società indipendente, 02 Filmes, è diventata la più importante del Brasile e in dieci anni ha vinto tutti i più prestigiosi premi nazionali e internazionali.
Nel 1997 Meirelles ha diretto il suo primo film O Menino Maluquinho. Nel 2000 ha diretto Palace II, un episodio della serie televisiva Brava Gente Brasileira, una sorta di prova generale di City of God . Palace II è stato poi rimontato ed è diventato un cortometraggio e ha vinto il premio come Miglior Cortometraggio al Festival di Berlino del 2002.
Nel 2000 ha diretto, insieme a Nando Olival, il suo secondo film Domesticas, che ha partecipato al Festival di Rotterdam.
Nel 2002 ha diretto City of God, che ha ottenuto diverse candidature all'Oscar: Miglior Regia, Migliore Sceneggiatura Non Originale (Braulio Mantovani), Migliore Fotografia (César Charlone) e Miglior Montaggio (Daniel Rezende). Il film ha vinto più di cinquanta premi in giro per il mondo.
Sulla scia del successo di City of God , 02 Filmes, in società con Rede Globo, ha prodotto cinque episodi della serie Cidade dos Homens, il seguito televisivo del film. Meirelles ha prodotto tutti gli episodi e ne ha anche diretto alcuni.
Attualmente sta lavorando al progetto del suo nuovo film, Intolerance, e produce film di registi brasiliani esordienti.
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