Nato in Colorado nel 1974, è cresciuto a Lakewood, un sobborgo di Denver. Il suo interesse per il cinema inizia da adolescente, quando gira piccoli fimati con una videocamera e poi decide di studiare cinema all'Università del Colorado.
A 23 anni dirige il suo primo lungometraggio, Brother Tied, scritto in collaborazione con il suo compagno di studi Joey Curtis e presentato al Sundance Film Festival 1998 e ad altri festival internazionali. Il film non viene però distribuito nelle sale.
Negli anni seguenti inizia a realizzare documentari televisivi, collaborando con la società di produzione Radical Media, e dirige il documentario Shots in the Dark. Inoltre ha realizzato documentari per MTV e VH1, tra cui Run-D.M.C. and Jam Master Jay: The Last Interview e Black and White: A Portrait of Sean Combs sui musicisti Run DMC e Sean Combs. Nel 2003 cura la fotografia del film indipendente Streets of Legend, diretto dall'amico Joey Curtis, ottendendo il Cinematography Award e una candidatura agli Independent Spirit Awards l'anno successivo.
Nel 2003 Cianfrance conosce Michelle Williams e Ryan Gosling e gli presenta la sceneggiatura del suo secondo lungometraggio, Blue Valentine, considerandoli come protagonisti principali del progetto. Ma la produzione del film trova vari ostacoli, tra cui vari problemi finanziari e il progetto viene sospeso. Nel 2006 Cianfrance trova finalmente i fondi per realizzare il film, che viene presentato in concorso al Sundance Film Festival 2010 e viene distribuito nelle sale nel 2010.
Nel 2012 dirige poi Come un tuono, in cui Ryan Gosling affianca Bradley Cooper, Eva Mendes e Rose Byrne.
Dirigerà poi Michael Fassbender e Alicia Vikander in La luce sugli oceani, ambientato in una remota isola australiana negli anni successivi alla Prima Guerra Mondiale.
Cianfrance è sposato con la collega regista Shannon Plumb.