Après une formation en littérature et en histoire au sein de l'Ecole Normale Supérieure de Saint-Cloud, Jean-Claude Carrière se prédestine au métier d'historien. Il décide pourtant de l'abandonner au profit du dessin et de l'écriture, et publie ainsi dès 1957 son premier roman, Le Lézard. C'est cependant sa rencontre avec le réalisateur et comédien Pierre Etaix qui va être déterminante. Outre plusieurs courts métrages, comme Rupture (1961) ou Heureux Anniversaire (1962), le duo écrit deux films : Le Soupirant et Yoyo qui attirent rapidement l'attention de la critique.
Décidant de poursuivre sa carrière en tant que scénariste, Jean-Claude Carrière devient très présent aux côtés de Louis Malle (Viva Maria !, Le Voleur) et de Milos Forman (Valmont). Il est aussi durant dix-neuf ans le complice de Luis Buñuel (Le Journal d'une femme de chambre), une collaboration qui durera jusqu'à la mort de ce-dernier. C'est vers le milieu des années 60 et avec le retour de Buñuel en Europe que Jean-Claude Carrière commence à travailler à ses côtés. La naissance d'une amitié liant les deux cinéastes va permettre à des classiques du cinéma franco-italien d'exister, comme La Voie lactée (1969) ou encore Belle de jour (1966). Carrière sera d'ailleurs le scénariste de Cet obscur objet du désir, dernière réalisation de Buñuel en 1977.
Auteur extrèmement prolifique, les scénari à succès de Jean-Claude Carrière ne se comptent plus. Parmi ses films les plus connus, on compte Le Tambour ou Un papillon sur l'épaule, qui lui permettent ainsi de collaborer avec des cinéastes du monde entier. En 1983, il obtient sa première récompense avec le César du meilleur scénario original pour Le Retour de Martin Guerre. Il fait aussi une incursion dans un cinéma moins narratif aux côtés de Jean-Luc Godard (Sauve qui peut (la vie)) ou Peter Brook (Le Mahabharata), tout en restant proche du cinéma destiné au grand public, puis s'attache à de nombreux projets d'adaptation littéraire : Cyrano de Bergerac, Le Roi des aulnes ou encore Le Hussard sur le toit. C'est d'ailleurs son travail sur l'adaptation de L'Insoutenable Légèreté de l'être de Philip Kaufman qui lui vaut un Oscar en 1989.
Essentiellement scénariste et écrivain, Jean-Claude Carrière passe derrière la caméra en 1968 pour la réalisation d'un court-métrage plutôt insolite La Pince à ongles, lui permettant d'obtenir le Grand Prix du Jury du meilleur court métrage lors du Festival de Cannes 1969. Il travaille aussi pour le petit écran en devenant l'auteur d'une douzaine de téléfilms. Il écrit également pour le théâtre où il retrouve Jean-Louis Barrault pour Harold et Maude en 1971, ou Peter Brook pour La Tragédie de Carmen en 1981. Sa carrière remarquable dans le milieu cinématographique lui permet en 1986 d'obtenir le poste de président de la Fémis, l'école française de cinéma, qu'il occupera durant dix ans. En 2000, Jean-Claude Carrière publie l'autobiographie de son enfance, Le Vin bourru.
Alors qu'il était capable d'écrire trois à quatre scénari par an durant les années 70, il ralentit quelque peu la cadence durant les années 90, se faisant ainsi plus rare au cinéma. On le retrouve malgré tout aux génériques de films comme Salsa (2000), Birth (2004) ou encore Les Fantômes de Goya (2005) qui marque sa troisième collaboration avec Milos Forman. Tout au long de son parcours, Jean-Claude Carrière passe de temps en temps devant la caméra en interprètant de petits rôles, comme dans Avida présenté hors-compétition au Festival de Cannes 2006, ou encore dans La Voie lactée ou Julie pot de colle par exemple.
Il participe ensuite au Ruban blanc de Michael Haneke, Palme d'or au Festival de Cannes, puis à deux films de Philippe Garrel (L'Ombre des femmes, Le Sel des larmes) et deux de son fils Louis Garrel (L'Homme fidèle et La Croisade). Le 8 février 2021, il meurt dans son sommeil à son domicile parisien, à l'âge de 89 ans.