Alain Cavalier est né le 14 septembre 1931 à Vendôme. 
Après des études d'histoire, il entre à l'IDHEC, puis devient assistant de Louis Malle (Ascenseur pour l'échafaud, Les Amants).
il tourne son premier court-métrage, Un Américain, en 1958.
Suivront une trentaine de longs-métrages, dont
Le Combat dans l'île (1962) avec Romy Schneider, L'Insoumis (1964) avec Alain Delon, Mise à sac (1967), La Chamade (1968) avec Catherine Deneuve et Michel Piccoli, Un Etrange Voyage (Prix Louis-Delluc en 1981), Thérèse (1986, Prix du jury au Festival de Cannes, six récompenses aux Césars, meilleur film, meilleur réalisateur et meilleur scénario), Libera Me (1993), La Rencontre (1996), deux séries de Portraits (1987 et 1990),
Le Filmeur (2004), Pater (2011) avec Vincent Lindon, Six Portraits XL (2017).
Être vivant et le savoir (2019) est son dernier film.