Nato a Bagheria (PA) nel 1956, figlio del sindacalista della Cgil Peppino Tornatore, fin da ragazzo manifesta un forte interesse per la recitazione e la regia. Nel ’72, a sedici anni, riesce a mettere in scena opere di autori quali Luigi Pirandello - di cui è da sempre un grandissimo ammiratore - e Eduardo De Filippo. Dopo aver conseguito la maturità classica a Bagheria, prima di dedicarsi interamente al cinema frequenta qualche lezione alla facoltà di Lettere e Filosofia dell’Università di Palermo. Dopo gli inizi in teatro, si avvicina al mondo del cinema attraverso alcune esperienze televisive e documentaristiche, fra cui ricordiamo il documentario – girato in superotto - Il carretto. Immagini di un'antica cultura (1979).  Il suo esordio avviene in Rai nell’81, con il documentario Ritratto di un rapinatore.

In quegli anni, sempre per conto della redazione siciliana di Rai Tre, realizza Incontro con Francesco Rosi (1981), Le minoranze etniche in Sicilia (1982), con cui vince un premio al Festival di Salerno, Diario di Guttuso (1982), e Scrittori siciliani e cinema: Verga, Pirandello, Brancati e Sciascia (1983).

Nell’84 collabora con Giuseppe Ferrara per Cento giorni a Palermo, a cui lavora come produttore, co-sceneggiatore e regista della seconda unità.

Due anni dopo debutta alla regia sul grande schermo con Il camorrista (1986), tratto dall'omonimo libro di Giuseppe Marrazzo e incentrato sulla storia del famigerato boss Raffaele Cutolo - nel film chiamato “O Professore 'e Vesuviano” e interpretato da Ben Gazzara. Il film riceve una buona accoglienza sia da parte del pubblico che dalla critica, e il giovane Tornatore vince il Nastro d'Argento come Miglior Regista Esordiente.

Subito dopo, l’incontro con il noto produttore Franco Cristaldi porterà alla realizzazione di Nuovo Cinema Paradiso (1988), pellicola che riscuoterà enorme successo in tutto il mondo, dando al regista la notorietà internazionale.

Dopo alcuni imprevisti - fra cui vari tagli e la proiezione bloccata dopo il primo fine settimana in quasi tutte le sale italiane -, il film vincerà il Gran Premio della Giuria al Festival di Cannes, il Golden Globe e l'Oscar come Miglior Film Straniero (dopo Indagine su un cittadino al di sopra di ogni sospetto - 1970 - di Elio Petri e prima de La vita è bella - 1997 - di Roberto Benigni  e del più recente La grande bellezza - 2013 - di Paolo Sorrentino) è stato l’unico film italiano a vincere l’ambitissimo premio).

Nel ‘90 realizza l’amaro Stanno tutti bene, film che racconta del viaggio di un padre siciliano - interpretato da Marcello Mastroianni - alla ricerca dei figli in giro per l’Italia.

L’anno successivo collabora al film collettivo La domenica specialmente (1991) dirigendo l’ episodio Il cane blu.

Nel ‘94 gira Una pura formalità, interpretato dal regista Roman Polanski e Gerard Depardieu, presentato in concorso al Festival di Cannes e che rappresenta un fondamentale momento di svolta nello stile del regista, stile che si modifica radicalmente.

L’anno successivo torna a girare un documentario - Lo schermo a tre punte, 1995 - in cui racconta la Sicilia, e dirige L'uomo delle stelle (1995), interpretato da Sergio Castellitto. Il film vince il David di Donatello e il Nastro d'Argento per la Miglior Regia, e il Gran Premio della Giuria al Festival di Venezia, e viene anche candidato agli Oscar nella sezione relativa al Miglior Film in lingua non inglese.

Dopo aver letto e riletto Novecento, il celebre monologo di Alessandro Baricco, comincia a riflettere su una sua possibile versione cinematografica. E così, dopo una lunga “gestazione” viene realizzato La leggenda del pianista sull'oceano (1998), interpretato da un eccellente Tim Roth nel ruolo di Danny Boodman T. D. Lemon detto “Novecento” e accompagnato dalle musiche di Ennio Morricone. Il film vincerà numerosi premi: il David di Donatello, il Ciak d'Oro per la Regia, L’Efebo d’Oro e due Nastri d'Argento (Miglior Regia e  Miglior Sceneggiatura).

Due anni dopo dirige Malèna (2000), coproduzione italo-statunitense che si avvale nuovamente delle musiche di Ennio Morricone.

Nel 2006, dopo una pausa di un lustro, gira La sconosciuta, che vincerà tre David di Donatello - compreso quello per la Miglior Regia - e verrà scelto per rappresentare l'Italia ai Premi Oscar del 2007 nella selezione per le candidature quale Miglior Film Straniero.

Nel 2007, nel corso della cerimonia degli Oscar, viene presentato un suo cortometraggio dedicato al cinquantesimo anniversario del Miglior Film Straniero. Un montaggio in cui scorrono numerose immagini di cinema internazionale premiato a Hollywood dalla fine degli anni Cinquanta in poi.

Nel 2009 realizza Baarìa - nome siciliano di Bagheria -, la cui trama racconta episodi di vita vissuta nella sua città d'origine. Il film, che nella competizione ufficiale apre la sessantaseiesima Mostra Internazionale d'Arte Cinematografica di Venezia, verrà pre-selezionato come film per rappresentare l'Italia agli Oscar 2010, ma non supererà le selezioni successive e non arriverà in cinquina.

Nello stesso anno pubblica anche il libro Baarìa, il film della mia vita (Rizzoli, Milano 2009) e Baarìa Bagheria, dialogo sulla memoria, il cinema, la fotografia (Contrasto, Roma 2009) in cui dialoga con un illustre conterraneo: il fotografo Ferdinando Scianna.

Nel 2010 realizza L’ultimo Gattopardo: ritratto di Goffredo Lombardo, documentario sul grande produttore di molti film italiani degli anni Sessanta e Settanta - compreso Il Gattopardo, 1963, di Luchino Visconti -. Nel dicembre dello stesso anno riceve la laurea "honoris causa" in Televisione, Cinema e Nuovi media dall'Università IULM di Milano.

Nel 2011 gli viene assegnato il Premio “Federico Fellini 8 1/2"” per l'eccellenza artistica al BIFF (Bari International Film Festival). Nello stesso anno pubblica La menzogna del cinema (Bompiani, Milano 2011) con la trascrizione dell'intervento all'Università in occasione del conferimento della laurea "honoris causa".

Nel 2013 Giuseppe Tornatore realizza La migliore offerta, interpretato da Geoffrey Rush e Donald Sutherland. Il film, girato a Vienna, Praga, Bolzano, Milano, Parma, Trieste e in campagna nei pressi di Roma, vince numerosi premi sia in Italia - compreso David di Donatello per la Miglior Regia, il quarto per il regista siciliano - sia all’estero.

Il suo ultimo film, La corrispondenza, interpretato da Jeremy Irons, è uscito nelle sale nel gennaio 2016.