En 1970, il est engagé sur l'Aveu avec Yves Montand. Trois ans plus tard, il réalise son premier long métrage : France, Société Anonyme, qui est un cuisant échec. Le succès arrive avec un film policier, Police Python 357, qui marque sa deuxième collaboration avec Yves Montand.
Alain Corneau se spécialise dans le polar noir avec des films comme Le Choix Des Armes, La Menace ou Série Noire avec Patrick Dewaere. Les années 80 sont celles du changement pour le réalisateur qui voit plus grand avec la fresque Fort Saganne avec Gérard Depardieu en 1984 et Nocturne Indien en 1989.
En 1992, c'est la consécration. Tous les Matins du Monde obtient le César du meilleur film. S'en suit un retour au polar avec Le Cousin dans lequel s'illustre Alain Chabat et Patrick Timsit dans des rôles à contre emploi. Le film obtient deux nominations aux Césars. En 1998, il épouse Nadine Trintignant, mère de la regrettée Marie Trintignant
A l'aube des années 2000, il s'essaye sans réussite à la comédie à gros budget : Prince du Pacifique avec Thierry Lhermitte et Patrick Timsit subit les foudres des critiques. Il décide d'adapter Le Deuxième Souffle, adaptation du roman de son vieil ami José Giovanni et remake du film de Jean-Pierre Melville. L'accueil est mitigé.
Son dernier projet Crime d'Amour avec Kristin Scott Thomas et Ludivine Sagnier est très attendu. Alain Corneau revient à ses amours : le film noir.