É filho de mãe espanhola e pai chileno. Sua família voltou para a Espanha quando ele tinha 1 ano de idade, e ele cresceu e estudou em Madrid. Escreveu, produziu e dirigiu seu primeiro curta-metragem, La Cabeza, aos 19 anos, e tinha 23 anos quando dirigiu sua estréia no longa-metragem Thesis (1996). Seu filme Open Your Eyes (1997) foi um enorme sucesso na Espanha e foi distribuído em todo o mundo. Foi refeito em Hollywood por Cameron Crowe como Vanilla Sky (2001), estrelado por Tom Cruise, Penelope Cruz (também a estrela da versão original) e Cameron Diaz. Os Outros (2001) é o primeiro filme em inglês de Amenábar.
