1965年3月15日，娄烨出生于上海市。因学习不好，初中毕业后考了职业高中，学习动画片制作。1983年毕业，同年进入上海美术电影制片厂担任美工。1983年，参与制作了动画电影《天书奇谭》。1984年，参与制作了动画电影《金猴降妖》。
1985年，娄烨报考了北京电影学院动画系和中央美术学院油画系，结果中央美术学院的考试未能通过，北京电影学院动画系当年不招生，反倒是导演系招收了他。1987年，制作了16毫米黑白短片《无照行驶》。1989年，娄烨从北京电影学院导演系毕业，获学士学位，毕业作品是16毫米彩色短片《耳机》。毕业后，娄烨被分到上海电视台工作，但他没去，而是跟了一部电影做副导演。此后，他作为独立导演在北京、上海、广州等地从事广告、纪录短片等的编导制作工作。
1993年，拍摄完成了长片处女作《周末情人》，娄烨凭借该片于1996年获得了第45届德国曼海姆-海德堡国际电影节“赖纳·维尔纳·法斯宾德”最佳导演奖。
1994年，拍摄的惊悚悬疑电影《危情少女》上映，该片由瞿颖、尤勇领衔主演，参加了美国UCLA国际电影节亚洲影片展。
1997年，娄烨作为独立制片人，策划制作由中国青年电影导演加盟的中国第一个数字电影计划《超级城市》，但最终没能完成。1999年，创作了剧本《紫蝴蝶》，并凭借该剧本获得了鹿特丹国际电影节剧本基金。
2000年1月29日，自编自导的剧情片《苏州河》在荷兰鹿特丹国际电影节首映，该片由周迅和贾宏声领衔主演，获得了第29届鹿特丹国际电影节最佳影片金虎奖、第15届法国巴黎国际电影节最佳影片、第1届日本东京银座影展大奖。
2001年，娄烨完成了剧本《颐和园》，并凭借该剧本获得了韩国釜山电影节青年导演计划剧本奖。2003年5月22日，编导并担任制片人的剧情片《紫蝴蝶》首映，该片获得了第56届戛纳国际电影节主竞赛单元-金棕榈奖提名，娄烨凭借该片获得了第4届华语电影传媒大奖最佳导演提名。
2004年，娄烨开始筹备拍摄电影《颐和园》，该片由郝蕾、郭晓冬共同主演，于2006年完成拍摄，获得了第59届戛纳国际电影节主竞赛单元-金棕榈奖提名，但因该片没有取得电影局审查通过令就违规参赛戛纳国际电影节，2006年9月1日，娄烨被电影局通知五年内不得拍片。
2009年5月14日，执导的剧情片《春风沉醉的夜晚》上映，该片由戛纳电影节与相关基金资助，获得了第62届戛纳国际电影节主竞赛单元-金棕榈奖提名。
2011年9月1日，拍摄的剧情片《花》上映，该片是娄烨的首部法语电影，由任洁、塔哈·拉希姆、加里·勒斯培等共同出演，成为了第68届威尼斯国际电影节威尼斯日单元的揭幕影片。
2012年，娄烨解禁复出，拍摄了中国本土剧情片《浮城谜事》，该片获得了第7届亚洲电影大奖最佳电影奖，娄烨则获得了最佳编剧奖。
2014年2月11日，执导的剧情片《推拿》上映，该片入围了第64届柏林国际电影节竞赛单元金熊奖、第51届台湾电影金马奖最佳剧情片，娄烨则凭借该片获得了第64届柏林国际电影节最佳艺术贡献（摄影）银熊奖。
2019年4月4日，执导的悬疑犯罪电影《风中有朵雨做的云》上映，该片入围了第69届柏林国际电影节全景单元，娄烨凭借该片获得了第55届台湾电影金马奖最佳导演提名；9月4日，执导的剧情片《兰心大剧院》首映，该片由巩俐、赵又廷领衔主演，获得了第76届威尼斯国际电影节主竞赛单元金狮奖提名。
2022年7月8日，2022年法国电影展映活动在京开幕，8部近两年的法国电影佳作将与观众见面。导演娄烨担任此次展映形象大使。
