Ele estuda no Colégio Santo Inácio, dirigido por jesuítas, até prestar vestibular para a PUC (Pontifícia Universidade Católica) do Rio, onde faz o curso de Direito, em uma época em que não havia, no Brasil, escolas de cinema.
Na PUC, como presidente do Diretório Estudantil, funda um cineclube e começa suas atividades de cineasta amador, na companhia de David Neves, Arnaldo Jabor, Paulo Perdigão e outros.
Ainda estudante, dirige o jornal "O Metropolitano", órgão oficial da UME (União Metropolitana de Estudantes) e junta-se ao CPC (Centro Popular de Cultura) da UNE (União Nacional dos Estudantes).
Tanto o grupo da PUC quanto o de "O Metropolitano" tornam-se, a partir do final da década de 50, um dos núcleos de fundação do Cinema Novo, do qual Diegues é um dos líderes, junto com Glauber Rocha, Leon Hirszman, Paulo Cesar Saraceni, Joaquim Pedro de Andrade e outros.
Antes desse período, em colaboração com David Neves e Affonso Beato, ele realiza três curtas-metragens, entre os quais "Domingo", um dos filmes pioneiros do movimento.
No CPC, Diegues dirige seu primeiro filme profissional, em 35mm, "Escola de Samba Alegria de Viver", episódio do longa-metragem "Cinco Vezes Favela" (os outros episódios são dirigidos por Joaquim Pedro de Andrade, Leon Hirszman, Marcos Farias e Miguel Borges).
Seus três primeiros longas-metragens - "Ganga Zumba" (1964), "A Grande Cidade" (1966) e "Os Herdeiros" (1969) - são filmes típicos daquele período voluntarista e cheio de sonhos, inspirados em utopias para o cinema, para o Brasil e para a própria humanidade. Polemista inquieto, ele continua a trabalhar como jornalista e a escrever críticas, ensaios e manifestos cinematográficos, em diferentes publicações, no Brasil e no exterior.
Com participação na resistência intelectual e política à ditadura militar, Diegues deixa o Brasil em 1969, vivendo primeiro na Itália e depois na França, na companhia da cantora Nara Leão, então sua esposa.
De volta ao Brasil, Diegues realiza mais dois filmes na fase negra da ditadura, "Quando o Carnaval Chegar" (1972) e "Joanna Francesa" (1973). Em 1976, dirige "Xica da Silva", seu maior sucesso popular no país, um filme que se aproveita da abertura política para anunciar, em sua exuberância e otimismo, os últimos dias do autoritarismo e a volta da alegria democrática.
Com o fim da ditadura e o surgimento de novos cineastas no Brasil, o Cinema Novo perde o sentido de ser, e a polêmica cultural ganha novos contornos, idéias novas. Diegues inventa, então, em entrevista ao jornal "O Estado de S. Paulo", a expressão "patrulhas ideológicas", para denunciar aqueles que perseguiam as novas idéias em nome de velhas teorias. O termo torna-se clássico e até hoje é usado nas discussões políticas e culturais. Fiel amigo de Glauber Rocha até a morte deste, em 1981, Diegues forma com ele uma frente polêmica.
É nesse período de redemocratização do país e renovação do cinema brasileiro que ele realiza "Chuvas de Verão" (1978) e "Bye Bye Brasil" (1980), dois de seus maiores sucessos.
Já conhecido no mundo inteiro, com filmes premiados em festivais e exibidos comercialmente em todos os continentes, Diegues é convidado para ser membro do júri no Festival de Cannes, em 1981 - honra que, antes dele, só outro brasileiro havia experimentado, o poeta Vinicius de Moraes (depois dessa data, também Jorge Amado, Sonia Braga e Hector Babenco serviram como jurados naquele festival).
Em 1984, ele realiza o épico "Quilombo", uma produção internacional comandada pela Gaumont francesa, um velho sonho de seu realizador.
Nessa época, Diegues começa a discutir a viabilidade da Embrafilme, reconhecendo seu papel histórico positivo, mas pregando uma mudança de modelo imediata, que fosse capaz de acompanhar a abertura da economia brasileira e o fim do modelo estatista. Mais uma vez, ele se encontra no centro de uma polêmica que vai desaguar na verdadeira catástrofe que foi o governo de Fernando Collor de Mello para a cultura e, especialmente, para o cinema brasileiro.
Antes da ascensão de Collor, mas já na fase crítica da economia cinematográfica do país, ele realiza dois filmes baratos, de transição e crise, "Um Trem para as Estrelas" (1987) e "Dias Melhores Virão" (1989). Com o advento do novo governo, a produção anual de cinema no Brasil cai de cerca de 100 filmes (no final dos anos 1970) para três ou quatro (no começo dos 90).
Tentando sobreviver ao desastre ou, como ele mesmo diz, "para não ficar louco", Diegues realiza, em parceria com a TV Cultura, "Veja esta Canção" (1994), marco fundador nas relações entre cinema e televisão no Brasil. Quando a nova Lei do Audiovisual é promulgada, ele é um dos poucos cineastas veteranos em atividade, trabalhando com comerciais, documentários, videoclipes.
"Tieta do Agreste" (1996), "Orfeu" (1999) e "Deus é Brasileiro" (2002), adaptados de grandes obras da literatura e do teatro nacionais, figuram entre os filmes brasileiros de maior público nesta fase de "retomada" da produção, propiciada pela Lei do Audiovisual.
Em 2006, realizou "O Maior Amor do Mundo", com roteiro original escrito apenas por Diegues, fato incomum em sua carreira. O filme marca o reencontro com alguns dos colaboradores mais próximos do cineasta. Nesse mesmo ano lançou o show e o documentário: "Nenhum motivo explica a guerra" em DVD, que conta a história do grupo cultural AfroReggae - o documentário dirigido em parceria com o Rafael Dragaud.
A maioria dos 18 filmes de Diegues foi selecionada por grandes festivais internacionais, como Cannes, Veneza, Berlim, Nova York e Toronto, e exibida comercialmente na Europa, Estados Unidos e América Latina - o que o torna um dos realizadores brasileiros mais conhecidos em todo o mundo.
Objetos de estudos e teses publicados no Brasil e em outros países, seus filmes e sua carreira são citados em todas as principais enciclopédias de cinema. A França lhe concedeu o título da Ordem das Artes e das Letras (l'Ordre des Arts et des Lettres), da qual já é hoje Oficial (Officier). Também é membro da Cinemateca Francesa.
Em julho de 2003, Carlos Diegues foi nomeado membro do Conselho Superior de Integração Social da Universidade Estácio de Sá. O governo brasileiro também lhe concedeu o título de Comendador da Ordem de Mérito Cultural e a Medalha da Ordem de Rio Branco, a mais alta do país. A Câmara de Vereadores do Rio de Janeiro lhe outorgou também a Medalha Pedro Ernesto.