Né le 22 juillet 1927 à Paris, Pierre Granier-Deferre étudie à l'Institut des hautes études cinématographiques avant d'apprendre le métier de cinéaste comme assistant réalisateur auprès de Marcel Carné, Marcel Camus et Jean-Paul Le Chanois. Il signe son premier moyen métrage, Mensonges, en 1959, puis son premier grand film, Le Petit Garçon de l'ascenseur, en 1961. En 1965, il adapte le roman d'Alphonse Boudard La Métamorphose des cloportes avec Lino Ventura et Charles Aznavour, sur des dialogues de Michel Audiard. La décennie suivante marque sa consécration, notamment grâce à sa double collaboration avec Jean Gabin, d'abord dans le polar La Horse (1970) puis dans le drame psychologique Le Chat (1971), première de ses nombreuses adaptations de Georges Simenon, qui réunit également Simone Signoret et vaut à cette dernière l'Ours d'argent de la meilleure actrice à Berlin. Il poursuit avec La Veuve Couderc (1971) et La Race des seigneurs (1974) avec Alain Delon, Adieu poulet (1975) avec Lino Ventura, ou encore Une femme à sa fenêtre (1976) avec Romy Schneider. En 1981, Une étrange affaire lui vaut le Prix Louis-Delluc, avant qu'il ne remporte l'année suivante le César du meilleur scénario adapté pour L'Étoile du Nord. Il tourne son dernier long métrage pour le cinéma, Le Petit Garçon, en 1995, avant de se consacrer à la télévision, notamment à plusieurs épisodes de la série Maigret avec Bruno Cremer, jusqu'à sa mort le 16 novembre 2007 à Paris.
Son apprentissage prolongé aux côtés de Marcel Carné, Marcel Camus et Jean-Paul Le Chanois, figures du classicisme français d'avant-guerre, façonne durablement son attachement à une facture traditionnelle du cinéma, en opposition explicite aux ruptures stylistiques de la Nouvelle Vague dont il demeure, bien qu'admirateur de Godard, résolument à l'écart. L'œuvre romanesque de Georges Simenon, qu'il adapte à de nombreuses reprises à partir du Chat, constitue une influence déterminante et durable de sa filmographie. Sa collaboration avec le scénariste Pascal Jardin lui permet également d'infuser ses adaptations littéraires d'éléments personnels et intimes.
Granier-Deferre développe un style classique, parfois qualifié de froid ou d'impersonnel par la critique, qui privilégie l'adaptation rigoureuse de succès littéraires plutôt que l'expérimentation formelle. Il est particulièrement attiré par le thème du déclin, mettant en scène des personnages en proie à une crise intérieure et donnant à ses films une dimension nostalgique constante. Sa mise en scène, au service de comédiens prestigieux, cherche avant tout l'efficacité narrative et la tension psychologique du huis clos, comme dans le face-à-face implacable entre Jean Gabin et Simone Signoret dans Le Chat.
Pierre Granier-Deferre remporte le Prix Louis-Delluc en 1981 pour Une étrange affaire, film qui vaut également à Nathalie Baye le César de la meilleure actrice dans un second rôle. Il obtient l'année suivante le César du meilleur scénario adapté pour L'Étoile du Nord, d'après Georges Simenon. Le Chat, son adaptation la plus célèbre, vaut à Simone Signoret l'Ours d'argent de la meilleure actrice au Festival de Berlin 1971 ainsi qu'une nomination à l'Ours d'or du meilleur film pour le réalisateur.
Georges Simenon, dont il adapte plusieurs romans à partir du Chat, devient l'auteur littéraire le plus étroitement associé à sa filmographie. Le scénariste Pascal Jardin l'accompagne sur nombre de ses adaptations, tandis que Jean Gabin, Simone Signoret, Alain Delon, Lino Ventura et Romy Schneider comptent parmi les grandes vedettes qu'il dirige au fil de sa carrière. Son fils Denys Granier-Deferre, également réalisateur, poursuit à sa manière l'héritage familial dans le cinéma.
Le déclin et la crise intérieure de personnages confrontés au poids du temps qui passe constituent le motif le plus identifiable de son œuvre, de La Veuve Couderc à L'Étoile du Nord. Le polar et l'univers du crime, souvent traités avec gravité plutôt qu'avec spectacle, structurent également une large partie de sa filmographie. Granier-Deferre s'intéresse enfin aux couples usés par le temps et à l'incommunicabilité qui s'installe au sein de relations de longue durée, thème central du Chat.