A kis Claude, ha áttételesen is, igen korán kapcsolatba került a filmmel: a II. világháború idején, Franciaország német megszállásakor egy darabig egy párizsi moziban bujkált édesanyjával. Sorsukat nem kerülhették el, mert három hónappal a háború vége előtt a németek elfogták, s a dachaui koncentrációs táborba hurcolták őket. Kiszabadulásuk után visszatértek Párizsba, ahol ismét egyesült a család, a háború poklából előkerült az apa is.

Lelouch 1950-ben, 13 éves korában kapta első kameráját apjától, s még ugyanebben az évben díjat nyert a cannes-i amatőrfilm-fesztiválon A század betegsége című alkotásával. Az ifjú Lelouch nyughatatlan és meglehetősen rossz gyermek volt, s több iskolából is eltanácsolták, míg végül sikerült leérettségiznie. Ezután a Francia Televízió tanulmányi központjában kapott alapfokú filmes képzést. Első munkái reklámfilmek voltak, majd híradó- és tv-riporterként az Egyesült Államokban és a Szovjetunióban forgatott dokumentumfilmeket.

1957 és 1960 között Algériában katonáskodott, leszerelése után "Les Films 13" névvel saját produkciós céget alapított (a 13 Lelouch szerencseszáma). E céggel a háta mögött készítette el 1960-ban első játékfilmjét Ami az embert megilleti címmel. Nemcsak rendezte a filmet, de ő írta forgatókönyvet, sőt játszott is benne. Később is előfordult, hogy egyszerre volt producere, rendezője, operatőre és forgatókönyvírója saját filmjének.

Az Ami az embert megilleti nem talált kedvező fogadtatásra, Lelouch azonban nem csüggedt el, továbbdolgozott, elsősorban rövidfilmeket rendezett. 1966-ban újra nagyfilmmel jelentkezett, ekkor készítette el az Egy férfi és egy nő című moziját Jean-Louis Trintignant-nal és Anouk Aimée-vel a főszerepben. A megható szerelmi történet világsikert aratott, két Oscar-díjat is besöpört, Cannes-ban Arany Pálma-díjat kapott. A film sikeréhez hozzájárultak a zeneszerző-jóbarát Francis Lai könnyed, fülbemászó melódiái is, melyek azóta is gyakran szerepelnek a rádiók műsorán.
Az Egy férfi és egy nő hihetetlen sikere után Lelouch pályája felfelé ívelt, évente-kétévente jelentkezett újabb alkotással. Filmjeinek többsége a tömegfilm kategóriájába tartozik, igaz, annak igényesebb, színvonalasabb csoportjába.

A Lelouch-filmek sikerét sok esetben Francis Lai dallamai is biztosították, valamint az, hogy a rendező-producer kiváló színészekkel, igazi sztárokkal forgatott, olyanokkal mint Trintignant, Jean-Paul Belmondo, Annie Girardot, Robert Hossein, James Caan, Genevieve Bujold, Jeremy Irons. Jelentősebb filmjei a teljeség igénye nélkül: Egy férfi, aki tetszik nekem (1969), A három jóbarát - Smic, Smac, Smoc (1971), a Házasság (1974), Egy egész élet (1974), Az egér és a macska (1975), a western környezetben játszódó Egy másik férfi, egy másik nő (1977), az Edith Piaf és a bokszoló Cerdan szerelmét bemutató 1983-as Edith és Marcel, valamint a hajdani nagy siker folytatása, az Egy férfi és egy nő, húsz év múlva 1986-ból. A rendkívül termékeny filmes napjainkban is alkot, többek között 2004-2005-ben készítette el az Emberi nem (Genre Humain) című filmtrilógiáját.

Számos más díja mellett Lelouche 1993-ban Nemzeti Nagydíjat, 2002-ben velencei UNESCO-díjat kapott. Az 1994-ben készült A huszadik század nyomorultjai című filmjéért Arany Glóbusz-díjjal tüntették ki. 2006-ban a franciaországi Deauville városa Claude Lelouchról nevezte el azt a teret, ahol a francia filmrendező 1966-ban az Egy férfi és egy nő című filmjének egyik leghíresebb jelenetét forgatta.