Comincia la sua carriera da regista con una Super8 trovata, per caso, nella stanza di educazione artistica durante le scuole medie. Con questa, gira cortometraggi dell'orrore usando vecchie bambole e marionette.
Studia a Cambridge e intraprende una carriera giornalistica che culmina con la pubblicazione, a metà anni Ottanta, di "Spycatcher", un saggio scritto a quattro mano con l'ex agente dell'MI5 Peter Wright e in cui vengono rivelati alcuni retroscena riguardanti i famosi servizi segreti britannici.
La passione per il cinema torna a essere preponderante e il regista sceglie di formarsi alla Granada Television School. Trascorre dieci anni a fare ricerche e a rovistare il globo per una serie di documentari, World in Action, e si appassiona alla causa del conflitto nord-irlandese. Questo apprendistato culmina nel 1989 con il suo primo lungometraggio, Resurrected, seguito da molti telefilm, sempre di argomenti socialmente scottanti. Del 1998 è invece La teoria del volo, con Kenneth Branagh e Helena Bonham Carter.
Interessato da tempo alla questione irlandese, nel 2002 la affronta in Bloody Sunday, in cui si focalizza sulla domenica del 30 gennaio 1972 a Derry, in Irlanda del Nord; lo stesso anno il film vincerà l'Orso d'Oro a Berlino. L'interesse di alcuni produttori statunitensi per il film gli permettono di cimentarsi nella regia di The Bourne Supremacy (2004).
Dopo aver scritto la sceneggiatura per un film sull'Ira (Omagh, 2004), nel 2005 dirige uno dei primi film dedicati ai fatti dell'11 settembre 2001, United 93, che racconta la ribellione dei passeggeri su uno dei voli dirottati e vale al regista la prima nomination agli Oscar. È la conferma, anche, di uno stile che sa mescolare con azzardo e consapevolezza la realtà con la sua riproduzione artistica e che conquista critica e pubblico. Nel 2007 torna con il nuovo capitolo della saga dell'agente Bourne/Damon, The Bourne Ultimatum - Il ritorno dello sciacallo, mentre nel 2010 è dietro la macchina da presa per Green Zone.
Nel 2013 dirige il thriller con Tom Hanks Captain Phillips - Attacco in mare aperto, che si aggiudica diverse nomination ai BAFTA, ai Golden Globes e ai premi Oscar 2014, tra cui Miglior film, Miglior sceneggiatura non originale e Miglior attore non protagonista (Barkhad Abdi).
Tornerà a dirigere Matt Damon nel quinto episodio della saga di Jason Bourne.