Profondamente legato alla cultura spagnola, ha iniziato la sua attività cinematografica negli anni Cinquanta, dirigendo commedie di ambientazione popolare. Critico nei confronti dei disastri di un sistema politico, morale e familiare repressivo, nato dal lontano dramma della guerra civile, col suo primo lungometraggio Los Golfos (1959; I piccoli delinquenti), documento sociale su un gruppo di ragazzi dei sobborghi madrileni, ha attirato nel 1960 l'attenzione della critica straniera (il film fu presentato al Festival di Cannes) e della censura in patria, simbolo di un nuovo modo di fare cinema.
Dopo l'insuccesso di Llanto por un bandido (1963; I cavalieri della vendetta), ambientato nell'Ottocento, basato sulla storia di J.M. El Tempranello, entra a far parte della rosa dei registi europei più promettenti con La caza (1965; La caccia, Orso d'argento al Festival di Berlino), metafora sulla società spagnola del dopoguerra, oppressa dal ricordo violento del passato. Espressione, inoltre, di una sua lucida e sarcastica critica della società sono: Peppermint Frappé (1967; Frappé alla menta), Stress es tres, tres (1968; Stress è tre tre) e La madriguera (1969; La tana), interpretati dalla moglie Geraldine Chaplin.
Importante nella delineazione del suo stile e della sua poetica (uso di un ristretto numero di personaggi, in luoghi limitati e con unica azione) è El jardin de las delicias (1969; Il giardino delle delizie), opera sceneggiata con R. Azcona. Dopo un lungo soggiorno in Francia, entra in contatto con il cinema europeo e produce Ana y los lobos (1972; Anna e i Lupi) e La Prima Angelica (1973; La cugina Angelica), film ispirati all'avanguardia e alla sperimentazione. Seguono: Cría Cuervos (1975), premio speciale a Berlino; Elisa, vida mia (1976; Elisa vita mia) e Los ojos vendados (1978; Gli occhi bendati), quest'ultimo un'aperta denuncia della tortura. Con Bodas de sangre (1981; Nozze di sangue, da F.G. Lorca) e con Carmen, premiato a Cannes nel 1983, S. è passato, con grande maestria e con la collaborazione essenziale di Antonio Gades, al "film come danza", seguito da altri notevoli film musicali: Los zancos (1984; I trampoli) ed El amor brujo (1986; L'amore stregone).
Tra i lavori successivi ricordiamo: El Dorado (1988), Ay, Carmela (1990), tragicommedia sulle disavventure di una scalcinata compagnia teatrale nella Spagna devastata dalla guerra civile, Despara (1993; Spara che ti passa), Flamenco (1995), cento minuti che raccolgono, in 19 episodi, l'essenza della filosofia del magico ballo andaluso, Taxi (1997) e Tango (1998), che affronta ancora il tema della danza come metafora della vita. Nel 1999 realizza Goya en Burdeos (Goya a Bordeaux), film sull'ultimo anno della vita del pittore in cui, evitando l'analisi biografica del personaggio, in modo originale ripropone sullo schermo il mistero della pittura e della creazione artistica. Le sue opere ruotano attorno alla lucida e profonda critica della società e ad un aspetto più intimo e personale che viene fuori con la sua franchezza, la sua sincerità di spirito, la grande sensibilità, l'humour e la dedizione al cinema, che diventa il punto di convergenza di tutte le sue inquietudini artistiche