Christian Petzold wird am 14. September 1960 in Hilden als ältester von drei Söhnen geboren. Er wächst in Haan auf, wo er das Gymnasium besucht und 1979 sein Abitur macht. Nachdem er den Zivildienst absolviert hat, zieht Christian Petzold 1981 nach Berlin und nimmt an der Freien Universität ein Studium der Germanistik und Theaterwissenschaft auf.

Nach seinem Abschluss im Jahr 1989 studiert er an der Deutschen Film- und Fernsehakademie Berlin (dffb). Während des Studiums arbeitet Christian Petzold als Regie-Assistent bei Hartmut Bitomsky und Harun Farocki – der an allen späteren Spielfilmen Petzolds mitwirkt– und schreibt als Filmkritiker für verschiedene Publikationen.

Nach Kurzfilmen, darunter "Süden" und "Das warme Geld", dreht Petzold 1994 mit "Pilotinnen" seinen Abschlussfilm an der dffb. "Pilotinnen" entsteht unter Beteiligung der Produktionsfirma Schramm Film Koerner & Weber, mit der Petzold auch zukünftig zusammenarbeitet.

Auf die von der Kritik gelobten Fernsehfilme "Cuba Libre" und "Die Beischlafdiebin" folgt 2000 die Kinoproduktion "Die innere Sicherheit". Neben dem Deutschen Filmpreis in Gold für den Besten Film erhält das intensive Drama um eine junge Heranwachsende und ihre als Terroristen gesuchten Eltern zahlreiche weitere Auszeichnungen und etabliert Christian Petzold endgültig als einen der maßgeblichen Filmemacher im zeitgenössischen deutschen Kino.

2001 markiert der hochgelobte TV-Thriller "Toter Mann" die erste Zusammenarbeit des Regisseurs mit der Darstellerin Nina Hoss. Der Film wird mit dem Adolf-Grimme-Preis sowie dem Deutschen Fernsehpreis ausgezeichnet. An der Seite von Benno Fürmann spielt Nina Hoss ebenfalls eine Hauptrolle in Petzolds nächster Kinoarbeit: 2003 gewinnt "Wolfsburg" bei den Internationalen Filmfestspielen in Berlin den FIPRESCI-Preis und erhält im selben Jahr auch den Adolf-Grimme-Preis in Gold.

Zu den ständigen kreativen Mitarbeitern Petzolds zählen neben Kameramann Hans Fromm die Cutterin Bettina Böhler, der Filmarchitekt K. D. Gruber sowie der Komponist Stefan Will. Das Team realisiert auch Petzolds "Gespenster", in dem Julia Hummer – die bereits in "Die innere Sicherheit" überzeugte – und Sabine Timoteo als verlorene Existenzen durch ein ebenso unwirtlich wie unwirklich erscheinendes Berlin streifen. "Yella" wiederum handelt von einer jungen Frau, die bei ihrem Bemühen um ein besseres Leben von der Vergangenheit eingeholt wird. In der Titelrolle brilliert erneut Nina Hoss, die 2007 bei den Internationalen Filmfestspielen Berlin als Beste Darstellerin den Silbernen Bären und den Deutschen Filmpreis 2008 erhält.

Im Januar 2009 startet die schon vierte Zusammenarbeit mit Hoss: Im Dreiecksdrama "Jerichow" nach Motiven von James M. Cain steht sie zwischen den beiden Männern Benno Fürmann und Hilmi Sözer.

Danach arbeitet Petzold bei dem Dreiteiler "Dreileben" mit Christoph Hochhäusler und Dominik Graf zusammen. Bei diesem ungewöhnlichen Projekt inszeniert jeder der Filmemacher in seinem ganz persönlichen Stil einen Teil der Krimi-Trilogie. Petzolds Beitrag mit dem Titel "Etwas Besseres als den Tod" feiert, ebenso wie die Filme von Graf und Hochhäusler, im Forum der Berlinale 2011 Premiere.

Im Jahr darauf wird sein Film "Barbara" in den Wettbewerb der Berliner Filmfestspiele eingeladen: für seine Regie bei dem Drama über eine Ärztin (einmal mehr: Nina Hoss) in der DDR, die in den Westen flüchten will, sich dann aber in einen Kollegen verliebt, erhält Petzold hervorragende Kritiken –  und am Tag der Preisverleihung den Silbernen Bären. Für den Deutschen Filmpreis 2012 wird "Barbara" gleich achtmal nominiert, darunter als bester Film, für das beste Drehbuch und für die beste Regie.

Christian Petzold, der mit der Dokumentarfilmregisseurin Aysun Bademsoy verheiratet ist, lebt mit seiner Familie in Berlin-Kreuzberg.