Apja zsidó üzletember volt, akinek ősei Algériából települtek át Franciaországba. A kis Claude, ha áttételesen is, igen korán kapcsolatba került a filmmel: a második világháború idején, Franciaország német megszállásakor egy darabig egy párizsi moziban bujkált édesanyjával, ahol újra meg újra megnézte azt a filmet, amelyet a vetítőteremben találtak. A háború vége előtt három hónappal elfogták, és a dachaui koncentrációs táborba deportálták őket. A nyughatatlan fiút több iskolából eltanácsolták, míg végül sikerült leérettségiznie. Érettségi előtt egy évvel kapta első kameráját apjától, és még abban az évben díjat nyert a cannes-i amatőrfilm-fesztiválon A század betegsége című alkotásával.

Ezután a Francia Televízió tanulmányi központjában kapott alapfokú filmes képzést, majd reklámfilmeket készített, híradó- és tévériporterként az Egyesült Államokban és a Szovjetunióban forgatott dokumentumfilmet. Moszkvában szinte sokkhatásként érte, amikor megnézte a Szállnak a darvak című filmet. 1957 és 1960 között, amikor kiéleződött az algériai konfliktus, katonai szolgálatra hívták be, de előéletének köszönhetően a hadsereg filmrészlegéhez osztották be. Leszerelése után Les Films 13 néven saját produkciós céget alapított, első játékfilmjét is ebben az évben készítette Le propre de l'homme (Az ember sajátja) címmel, saját forgatókönyve alapján. Alkotását, amelyben szerepelt is, a kritika lehúzta, a Les cahiers du cinéma című tekintélyes szaklap egyenesen azt írta: „Claude Lelouch - jegyezzék meg jól ezt a nevet, mert soha többé nem fognak róla hallani.” A kudarc nem kedvetlenítette el, a következő években elsősorban rövidfilmeket rendezett. 1966-ban készítette el az Egy férfi és egy nő című moziját Jean-Louis Trintignant-nal és Anouk Aimée-vel a főszerepben. A megható szerelmi történet világsikert aratott, a legjobb idegen nyelvű film és a legjobb eredeti forgatókönyv kategóriában Oscar-díjjal tüntették ki, Cannes-ban Arany Pálma-díjat kapott. A sikerhez nagyban hozzájárultak a zeneszerző jóbarát, Francis Lai könnyed, fülbemászó melódiái is. Pályája ezt követően felfelé ívelt. Évente-kétévente jelentkezett újabb alkotással, többségük a tömegfilm kategóriájába tartozik, igaz, annak igényesebb, színvonalasabb csoportjába.

Filmjeinek sikerét Francis Lai dallamain kívül a remek színészek is biztosították, köztük Trintignant, Jean-Paul Belmondo, Annie Girardot, Robert Hossein, James Caan, Geneviéve Bujold, Jeremy Irons. Legsikeresebb filmjei közé tartozik az Egy férfi, aki tetszik nekem (1969), A három jóbarát – Smic, Smac, Smoc (1971), az Egy egész élet (1974), Az egér és a macska (1975), a western környezetben játszódó Egy másik férfi, egy másik nő (1977), az Edith Piaf és a bokszoló Cerdan szerelmét bemutató 1983-as Edith és Marcel, a hajdani nagy siker folytatása, az Egy férfi és egy nő, húsz év múlva 1986-ból és a Nyomorultak (1995), amelyért Golden Globe-díjat is kapott. 2004-2005-ben készítette el az Emberi nem (Genre Humain) című filmtrilógiáját, amelynek Szeretni bátorság című részét Magyarországon is bemutatták. 2007-ben a Bestseller című filmdrámája aratott sikert. 2011-ben, produkciós cége létrejöttének ötvenedik évfordulójára dokumentumfilmet rendezett D'un film á l'autre (Egy filmről a másiknak) címmel, amelyben életéről és munkásságáról vallott. 2012-ben a nimes-i filmfesztiválon bejelentette, hogy három filmet is tervez a közeljövőben, az egyikben Belmondónak szánta a főszerepet, aki azonban egészségi állapota miatt végül kénytelen volt nemet mondani. Lelouche tervei közül 2014-ben megvalósult a Salaud, on t'aime (Gazfickó, szeretnek) című film a neves énekes-színész, Johnny Hallyday főszereplésével, aki legutóbbi, 2017-es Chacun sa vie (Mindenkinek a saját élete) című alkotásában is szerepet kapott. Számos más díja mellett 1993-ban megkapta a Nemzeti Nagydíjat, 2002-ben a velencei UNESCO-díjat, 2008-ban a francia Becsületrendet, 2016-ban pedig a belga Korona Érdemrendet. 2006-ban a franciaországi Deauville városa róla nevezte el azt a teret, ahol 1966-ban az Egy férfi és egy nő című filmjének egyik leghíresebb jelenetét forgatta.