Алехандро Аменабар родился в семье испанки и чилийца.
В 1973 году из-за обострения политической ситуации в Чили его семья эмигрировала в Испанию.
В 1990 году поступил в Мадридский университет Комплутенсе на факультет информационных наук. Однако бросил его, начав снимать короткометражные фильмы.
В 1991 году получил премию Независимой ассоциации непрофессиональных кинодеятелей (AICA) за свой первый короткометражный фильм «Голова» . Год спустя премии кинофестивалей в Эльче и Карабанчеле завоевала другая его короткометражка — «Перепончатокрылый» .
В 1994 году его третий короткометражный фильм, «Луна» , получил премию Луиса Гарсии Берланги за лучший сценарий и награду Независимой ассоциации непрофессиональных кинодеятелей (AICA) за лучшую музыку.Первый полнометражный фильм Аменабара, «Диссертация» , продюсировал режиссёр Хосе Луис Куэрда, которого заинтересовал сценарий этой картины. Сюжет этого необычного и странного триллера разворачивается на факультете информационных наук Мадридского университета Комплутенсе, а один из его отрицательных героев получил имя профессора этого факультета, у которого Аменабар провалился на экзаменах. Фильм привлёк внимание критики на Берлинском кинофестивале, а у себя на родине получил семь премий «Гойя» , в том числе за лучший фильм, оригинальный сценарий и режиссёрский дебют.Второй полнометражный фильм Аменабара, «Открой глаза» , имел успех у критики на кинофестивалях в Берлине и Токио. Кроме того, он привлёк внимание известного актёра Тома Круза, который выкупил права на сценарий картины и позже снялся в фильме «Ванильное небо» , основанном на этом сценарии.Также Том Круз выступил в роли продюсера третьего фильма Аменабара, «Другие» , в котором снялась известная актриса Николь Кидман. Премьера фильма состоялась на кинофестивале в Венеции в 2001 году, где он входил в конкурсную программу. Картина имела успех у критики и публики по всему миру, а в Испании стала самым популярным фильмом года. «Другие» получили восемь премий «Гойя» , в том числе за лучший фильм, режиссуру и оригинальный сценарий, а также боролись за премию европейской киноакадемии в номинации «лучший фильм» .
В 2004 году на экраны вышел фильм «Море внутри» , рассказывающий о реальной жизни полностью парализованного Рамона Сампедро (его роль исполнил Хавьер Бардем) и поднимающий проблему эвтаназии.
На фестивале в Венеции картина получила специальную премию жюри (вторую по важности на фестивале), а Хавьер Бардем получил «Кубок Вольпи» как лучший актёр.
В 2005 году этот фильм завоевал «Оскар» в номинации «лучший иностранный фильм» .
В сентябре 2004 года открыто объявил о своей гомосексуальности в журнале Shangay.