Après des études de philosophie et de cinéma, Alfonso Cuaron devient réalisateur de télévision, puis rencontre le succès au cinéma avec la comédie Uniquement avec ton partenaire. Il quitte le Mexique pour réaliser plusieurs épisodes de la série américaine Fallen Angels, qui lui valent plusieurs récompenses. Rapidement répéré par les producteurs hollywoodiens, il se voit confier la réalisation de l’adaptation contemporaine du roman de Charles Dickens, De grandes espérances, qui met en scène Ethan Hawke, Gwyneth Paltrow et Robert de Niro.
En 2001, Alfonso Cuaron retourne au Mexique pour tourner, en langue espagnole, Et... ta mère aussi ! (Y tu mama tambien), film à la sensualité torride qui récolte de nombreuses récompenses, dont le Prix du Scénario au Festival de Venise. Le film marqué également la première expérience de producteur d'Alfonso Cuaron (la société qu’il crée, Besame Mucho, s'installe dans les locaux de la Warner).
En 2003, le réalisateur livre le volet le plus sombre de la saga Harry Potter, Harry Potter et le prisonnier d'Azkaban. Fort de cette expérience, il livre en 2006 l'exceptionnel Les Fils de l'homme, sidérante vision apocalyptique qui aborde frontalement les questions de l'immigration, des guerres de religion ou des problèmes environnementaux, par une esthétique qui synthétises brillamment un siècle d'images de conflits. Le film ne rencontre malheureusement pas le succés escompté.
En 2008, Alfonso Cuaron est membre du jury du Festival de Cannes.