Roland Gräf, geboren am 13. Oktober 1934 in Meuselbach, verließ bereits mit 14 Jahren die Schule und machte ab 1949 eine Lehre als Industriekaufmann. Ab 1952 besuchte er für zwei Jahre die Arbeiter-und-Bauern-Fakultät in Jena, wo er die Hochschulreife nachholte. Von 1954 bis 1959 absolvierte Gräf ein Studium im Fachbereich Kamera an der Deutschen Hochschule für Filmkunst in Babelsberg (heute: Filmuniversität Babelsberg). Während dieser Zeit realisierte er mehrere Kurz-Dokumentarfilme und übernahm bei Dokumentarfilmen anderer Studenten die Kamera.

Nach seinem Abschluss bekam Gräf 1960 eine Stelle als Kameramann im DEFA-Studio für Dokumentarfilm, wechselte aber schon im ersten Jahr in die Spielfilmabteilung. Durch seinen vom Dokumentarischen geprägten Kamerastil entwickelte er eine Art poetischen Realismus, der vor allem in Jürgen Böttchers Beziehungsgeschichte "Jahrgang '45" (1966) zum Tragen kam (ein Film, der jedoch von der DDR-Zensur verboten wurde und erst 1990 zur Aufführung kam). Weitere wichtige Arbeiten als Kameramann waren die Mutter-Tochter-Geschichte "Leben zu zweit" (1968, Regie: Herrmann Zschoche) und die Ehegeschichte "Das siebente Jahr" (1968, Regie: Frank Vogel).

Sein Debüt als Spielfilmregisseur gab Gräf mit dem Drama "Mein lieber Robinson" (1971), über einen 19-Jährigen, der seinem Vater die Existenz seines Kindes verheimlicht. Der Film, bei dem Gräf auch selbst die Kamera führte, zeichnet sich nicht zuletzt durch seine dokumentarisch anmutende Ästhetik und seine präzise Milieuzeichnung aus. Für den Rest seiner Karriere konzentrierte Gräf sich dann ganz auf die Regie; auch bei Filmen anderer Regisseure übernahm er nur noch drei Mal die Bildgestaltung.

Mit seinen Regiearbeiten avancierte Gräf im Lauf der siebziger Jahre zu einem der bedeutendsten Filmemacher der DDR. Große Erfolge waren das Arbeiterporträt "Bankett für Achilles" (1975) und das DDR-Fluchtversuchs-Drama "Die Flucht" (1977) mit Armin Mueller-Stahl. Auf dem Internationalen Filmfestspielen Karlovy Vary 1978 gewann "Die Flucht" den Hauptreis, vom Verband der Film- und Fernsehschaffenden der DDR wurde er zum Besten Gegenwartsfilm der DEFA im Jahr 1977 gewählt. Auch das Sozialdrama "P.S." (1978), über das Erwachsenwerden eines ehemaligen Heimkindes, wurde mehrfach ausgezeichnet, so etwa beim Filmfestival der Autoren in Bergamo mit dem Spezialpreis der Jury und beim Kritikerpreis der DDR als Bester DEFA-Film des Jahres. Die Komödie "Märkische Forschungen" (DDR 1982), über den Streit zwischen einem kleinen Landschullehrer und einem erfolgreichen Literaturprofessor, lässt sich als Parabel auf die Machtverhältnisse in der DDR lesen. Auch dieser Film gewann unter anderem den Kritikerpreis der DDR. Gräfs weitere wichtige Filme in der DDR waren das Zweiter-Weltkriegs-Drama "Das Haus am Fluß" (1986) und die Filmbiografie "Fallada – Letztes Kapitel" (1988), über das letzte Lebensjahrzehnt des Schriftstellers Hans Fallada. Beide Filme liefen unter anderem im Wettbewerb der Berlinale.

Nach der Wende konnte Gräf mit "Der Tangospieler" (DDR/CH/DE 1990) an seine vorherigen Erfolge anknüpfen. Das Gesellschaftsdrama über einen DDR-Historiker, der in die Mühlen des Systems gerät, erhielt den Deutschen Filmpreis für den Besten Film (Silber) sowie für den Besten Darsteller (Michael Gwisdek). Mit dem Krimi "Die Spur des Bernsteinzimmers" (1992) realisierte Gräf seinen letzten Film für die DEFA und zugleich seinen letzten Kinofilm: Für seine nächsten Kinoprojekte – meist Stoffe über deutsche Geschichte – konnte er nicht ausreichend Geldgeber gewinnen. Notgedrungen wendete er sich für kurze Zeit dem Fernsehen zu: Bis Mitte der neunziger Jahre inszenierte er zwei Folgen der Krimiserie "Faust" (1995) mit Heiner Lauterbach sowie die Liebeskomödie "Quartett zu fünft" (1995, TV) nach dem Drehbuch seiner Ehefrau Christel. Danach zog er sich vom aktiven Film- und Fernsehgeschäft zurück. Stattdessen arbeitete Gräf von 1997 bis 2000 als Dozent im Studiengang Schauspiel an seiner Alma Mater, der Hochschule für Film und Fernsehen in Potsdam-Babelsberg. Zudem engagierte er sich im Stiftungsrat der DEFA-Stiftung. Im Jahr 2013 erhielt er den Preis der DEFA-Stiftung für seine Verdienste um den deutschen Film.

Am 11. Mai 2017 starb Roland Gräf in Potsdam.