Né en 1974, Sebastián Lelio est l'une des figures majeures du cinéma chilien de l'après-dictature, aux côtés de Pablo Larraín et Andrés Wood. Diplômé de l'école de cinéma du Chili à Santiago, il réalise plusieurs courts métrages puis un documentaire avant de signer son premier long métrage, La Sagrada Familia (2005), présenté dans la section Horizontes Latinos du Festival de Saint-Sébastien. Après Navidad (2009) et El año del tigre (2011), il connaît une reconnaissance internationale avec Gloria (2013), portrait d'une femme dans la cinquantaine en quête d'amour et de réinvention, récompensé du prix des Films en cours à Saint-Sébastien et de l'Ours d'argent de la meilleure actrice à la Berlinale pour Paulina García. Il tourne l'Histoire avec Une femme fantastique (2017), consacré à une femme trans confrontée au deuil et au rejet de la famille de son compagnon décédé, incarnée par l'actrice trans Daniela Vega ; le film remporte l'Ours d'argent du meilleur scénario à Berlin, partagé avec son scénariste régulier Gonzalo Maza, avant de devenir le premier film chilien à remporter l'Oscar du meilleur film en langue étrangère. La même année, il réalise son premier long métrage en anglais, Disobedience, avec Rachel Weisz et Rachel McAdams, présenté au Festival de Toronto. Il signe ensuite un remake américain de Gloria avec Julianne Moore, puis The Wonder (2022).
Lelio affectionne les personnages secondaires ou invisibilisés qu'il place au centre de ses récits, ainsi qu'un important travail d'improvisation avec ses acteurs pour atteindre une texture de dialogue qui dépasse la simple information.
Une femme fantastique a remporté l'Oscar du meilleur film en langue étrangère en 2018, faisant de lui le premier film chilien à recevoir cette récompense, ainsi que l'Ours d'argent du meilleur scénario à la Berlinale 2017. Gloria avait auparavant valu à Paulina García l'Ours d'argent de la meilleure actrice à Berlin en 2013.
Il collabore de manière récurrente avec le scénariste Gonzalo Maza, coauteur d'Une femme fantastique, ainsi qu'avec les producteurs Juan de Dios Larraín et Pablo Larraín, à travers leur société Fabula.
Son cinéma s'attache à des figures féminines invisibilisées par la société, en particulier des femmes plus âgées ou trans en quête de reconnaissance et de réinvention de soi face au regard des autres.