Né le 11 septembre 1940 à Newark, dans le New Jersey, où son père exerce comme chirurgien-orthopédiste, Brian De Palma cultive très jeune une passion pour la physique, passion dont il décide alors de faire sa spécialité.

Il entre à l'Université de Columbia pour achever sa formation, mais s'oriente bientôt vers le théâtre, puis le cinéma.

En 1960, il réalise son premier court métrage, Icarus, suivi de 6601224, The Story of an IBM Card, et de Wotan's Wake, pour lequel il remporte plusieurs prix. Au cours de ses études au Sarah Lawrence College, De Palma aborde le long métrage avec The Wedding Party, une comédie semi-improvisée qui marque les débuts à l'écran de Jill Clayburgh et de Robert De Niro. Après ce premier essai, De Palma poursuit son apprentissage sur divers documentaires et courts métrages, dont "The Responsive Eye", un documentaire consacré à une exposition d'Op'art au Musée d'Art Moderne de New York.

En 1967, il revient au long métrage avec Murder a la Mod, thriller sophistiqué émaillé de références hitchcockiennes, le maître absolu. L'euphorie contestataire de la fin des années 60 lui inspire ensuite les comédies satiriques Greetings (Ours d'or au Festival de Berlin) et Hi ! Mom, qui l'imposent parmi les jeunes talents les plus marquants de la nouvelle vague américaine.

Les grands studios commencent alors à s'intéresser à lui, mais c'est avec une modeste production indépendante, Sœurs de sang, un polar qui témoigne déjà de son goût pour les intrigues puzzle, les personnages schizophrènes et le montage virtuose, que De Palma connaît son premier grand succès. Rompant avec le style semi-improvisé de ses précédents films, il affirme d'emblée d'exceptionnelles qualités d'écriture, un sens de la construction, du cadrage et du rythme digne des meilleurs réalisateurs hollywoodiens.

Deux ans plus tard, déjà réputé pour son perfectionnisme, De Palma signe le thriller musical Phantom of the Paradise, relecture du mythe du Fantôme de l'Opéra qui remporte en 1975 le Grand Prix au Festival d'Avoriaz.

En 1976, De Palma écrit (avec Paul Schrader) Obsession, un thriller romantique interprété par Cliff Robertson et Geneviève Bujold, puis porte à l'écran Carrie, célèbre roman de Stephen King. Le film, qui révèle Nancy allen, Sissy Spacek et John Travolta ,reste l'une des plus brillantes transpositions del'œuvre de King. A partir de ce succès, De Palma va régulièrement diviser la critique : les uns n'y voient qu'un piètre héritier d'Alfred Hitchcock, les autres restent fascinés (à juste titre !) par la virtuosité de sa mise en scène. Car chez De Palma, la caméra est reine et le cinéaste redonne ses lettres de noblesse au fantastique comme au thriller.

En 1977, De Palma dirige Kirk Douglas, John Cassavetes et Amy Irving dans Furie, film d'espionnage mêlant occultisme et science-fiction.

En 1978, Home Movies, comédie semi-autobiographique, est réalisée avec le concours de ses étudiants en cinéma du Sarah Lawrence College. Le réalisateur retournera au suspense avec Pulsions, puis écrit et met en scène, en hommage à Antonioni, Blow out, qui explore avec brio deux thèmes dominants de son œuvre, le voyeurisme et manipulation.

En 1982, Brian De Palma réalise une nouvelle version, baroque et hyper-violente, de Scarface, sur un scénario d'Oliver Stone, avec Al Pacino dans le rôle principal.

En 1989, il dirige Michael J. Fox et Sean Penn dans son premier film de guerre, Outrages.

En 1990, il adapte le roman satirique de Tom Wolfe, Le bûcher des vanités, qui reste sans doute à ce jour son plus gros échec commercial.

En 1992, il retourne au thriller (à forte connotation parodique) avec L'esprit de Caïn. L'impasse lui permet de renouer avec un cinéma qui lui
ressemble, empreint cette fois d'un pessimisme inédit et dont la séquence finale restera l'un des plus grands moments de “pur cinéma” de sa carrière.

En 1996, il réunit Tom Cruise, Jon Voight, Emmanuelle Béart et Jean Reno pour Mission : impossible, d'après la célèbre série télé. Couronnée par un succès international sans se vautrer une seule seconde dans le spectacle de patronnage made in Hollywood (De Palma est et
reste avant tout un auteur), cette adaptation sera suivi par un nouveau thriller virtuose, Snake eyes, jouissant, outre d'une interprétation au cordeau (Nicolas Cage, Gary Sinise, Carla Gugino), d'une époustouflante ouverture de quinze minutes en plan-séquence. De Palma a retrouvé dernièrement Gary Sinise pour Mission to Mars, qui marque par ailleurs l'arrivée du réalisateur dans la science-fiction, genre qu'il n'avait jamais abordé au cours de près de quarante ans de carrière.