Walter Salles grandit en France et aux Etats-Unis avant de s'installer définitivement au Brésil, son pays natal. Après avoir suivi des études d'économie à l'Université pontificale catholique de Rio de Janeiro, il obtient un diplôme en communication audiovisuelle à l'Université de Californie. Il se fait d'abord connaître dans le milieu cinématographique grâce à plusieurs documentaires à la fin des années 80, avant de réaliser sa première fiction, un thriller intitulé High art en 1991.

La crise économique du pays met un frein à sa carrière. Il se ré-intéresse alors au genre du documentaire pour le compte de la télévision européenne tout en restant au Brésil. Terre lointaine, co-réalisé avec Daniela Thomas en 1995, marque son retour sur le grand écran en tant que réalisateur, scénariste et monteur. En 1997, il participe à la série de courts métrages L'An 2000 vu par... pour Arte en dirigeant l'épisode Le Premier jour, toujours avec Daniela Thomas.

L'année suivante, c'est la consécration internationale grâce à Central do Brazil, Ours d'or à Berlin en 1998. Road-movie émouvant d'une vieille dame et d'un petit garçon, le film, inspiré de son documentaire Soccoro nobre (1995), est prétexte à dénoncer la misère de la population brésilienne. En 2001, Walter Salles réalise le drame Avril brisé, puis officie en tant que producteur de La Cité de Dieu (2003). Il fait partie du festival de Cannes en 2002 et y retourne deux ans plus tard pour présenter son film Carnets de voyage qui reçoit le Prix du Jury. Il se penche dans ce film sur la vie de Che Guevara en s'intéressant à son périple à moto dans les montagnes sud-américaines.

Après son thriller fantastique Dark Water en 2005 (remake du film d'Hideo Nakata), il participe à Paris, je t'aime (2006) avec son court métrage "Loin du 16e". Il est rappelé l'année d'après pour un projet similaire et fait partie des réalisateurs de Chacun son cinéma, le film collectif du 60e Festival de Cannes. Alternant constamment entre production et réalisation, Salles collabore en 2009 avec sa partenaire de longue date, Daniela Thomas : ils signent ensemble la réalisation d'Une famille brésilienne, drame poignant sur le portrait d'une famille qui tente de se réinventer au sein d'un contexte social délicat (Sao Paulo, fourmilière impitoyable). Deux ans plus tard, Walter Salles retrouve la croisette avec Sur la route, un road movie adapté du roman homonyme de Jack Kerouac, présenté en compétition officielle à la 65e édition du fameux Festival.