Il travaille en tant qu’assistant avec des réalisateurs comme Robert Bresson, Jaques Demy ou encore Jean- Luc Godard. Chacun d’eux le marque à sa manière. Son premier court métrage, Juliet dans Paris est une histoire loufoque de vampires. Ses autres courts métrages seront censurés ou interdits aux mineurs à cause de leur violence. Il collaborera longtemps avec Truffaut, dont il apprendra beaucoup.
Il réalise son premier long métrage en 1975 : La meilleure façon de marcher, film original qui surprend mais séduit néanmoins.
En 1981 il réalise Garde à vue, un thriller inspiré du roman Brainwash de John Wainwright, avec Romy Schneider, et qui réunit Michel Serrault et Lino Ventura, avec des dialogues de Michel Audiard. C’est son premier véritable succès, il obtiendra quatre Césars. Après ce film, il aura une période noire, adaptant des polars obscurs, comme Mortelle Randonnée en 1982 avec Isabelle Adjani dans le rôle d’une meurtrière.
Ensuite, il entame une nouvelle période, qui s’intéresse à l’enfance et l’adolescence, leurs angoisses et leur rapport à la réalité. Il écrit et réalise L’Effrontée, succès public et critique en 1958, et toujours avec Charlotte Gainsbourg La Petite Voleuse en 1988, et La Classe de neige en 1998, prix du Jury au Festival de Cannes.
Dix ans plus tard il adapte le roman de Philippe Grimbert Un Secret. Claude Miller nous apprend dans une interview que l’histoire du roman l’a touché par les similitudes qu’elle présente avec sa propre histoire : d’une famille juive laïque, il est né en 1942. C’est l’aspect sociologique de l’époque qui l’intéresse, plus que son aspect politique.