Guillaume Nicloux naît le 3 août 1966. Talent précoce, il crée dès dix-huit ans sa propre compagnie théâtrale, La Troupe, et devient boursier du Centre national des lettres en 1989, avant de se tourner vers le cinéma dès 1990 avec son premier long métrage, Les Enfants volants, porté par Anémone. Il enchaîne avec des films confidentiels comme Faut pas rire du bonheur en 1995, avant d'affirmer son style et ses influences avec Le Poulpe en 1998 puis Une affaire privée en 2002, deux films noirs marqués par l'héritage revendiqué de Jean-Pierre Melville et de l'univers de Jean-Patrick Manchette. Il connaît un succès critique confirmé avec Cette femme-là en 2003, portée par Josiane Balasko, avant d'accéder à des budgets plus conséquents avec Le Concile de pierre en 2006, adaptation de Jean-Christophe Grangé. Il poursuit une œuvre inclassable et prolifique avec La Religieuse en 2013, adaptation de Diderot, L'Enlèvement de Michel Houellebecq en 2014, qui lui vaut le prix du meilleur scénario au Festival de Tribeca, puis Valley of Love en 2015, sélectionné en compétition pour la Palme d'or à Cannes. Il continue son rythme de tournage soutenu jusqu'à ses productions les plus récentes, dont La Tour et La Petite en 2023, Sarah Bernhardt, la Divine en 2024, puis Mi Amor en 2026.
Son admiration revendiquée pour Jean-Pierre Melville et l'univers du roman noir de Jean-Patrick Manchette façonne durablement ses premiers films, en particulier Le Poulpe et Une affaire privée. Sa parallèle carrière de romancier, notamment auteur d'épisodes de la série Le Poulpe et de romans noirs, nourrit son goût pour des intrigues sombres et ironiques. Sa fascination pour les figures littéraires et artistiques, de Diderot à Michel Houellebecq en passant par Sarah Bernhardt, constitue également une influence constante de son travail le plus récent.
Guillaume Nicloux se distingue par une filmographie inclassable, oscillant entre polar noir, comédie décalée, drame intime, film politique et faux documentaire. Il excelle dans la direction d'acteurs, dirigeant film après film la plupart des grands interprètes du cinéma français, de Catherine Deneuve à Fabrice Luchini en passant par Gérard Depardieu et Isabelle Huppert. Cette liberté formelle assumée, refusant de s'enfermer dans un genre unique, distingue son cinéma dans le paysage du cinéma d'auteur français contemporain.
L'Enlèvement de Michel Houellebecq lui vaut le prix du meilleur scénario au Festival de Tribeca en 2014. Valley of Love est sélectionné en compétition officielle pour la Palme d'or au Festival de Cannes 2015.
Il dirige à de multiples reprises Jean-Pierre Darroussin et Josiane Balasko, notamment dans Cette femme-là puis Holiday. Il retrouve également régulièrement l'écrivain Michel Houellebecq, qu'il met en scène dans son propre rôle à plusieurs reprises, ainsi que des interprètes majeurs comme Gérard Depardieu, Isabelle Huppert et Fabrice Luchini sur ses productions les plus récentes.
Le polar noir et l'atmosphère mélancolique héritée de Jean-Pierre Melville structurent une grande partie de ses premiers films, de Le Poulpe à Cette femme-là. La frontière poreuse entre fiction et réalité, notamment autour de figures réelles comme Michel Houellebecq ou Sarah Bernhardt, revient également de façon constante dans son œuvre la plus récente.