Diplômé du département réalisation de l'IDHEC, il est assistant de Louis Malle (Ascenseur pour l'échafaud, Les Amants) puis d'Edouard Molinaro en 1958. La même année, il écrit le scénario d'un court métrage tourné par Jean-Paul Rappeneau Chronique provinciale puis réalise son premier court métrage Un américain.
Alain Cavalier livre deux premiers films en lien direct avec l'actualité du moment, la Guerre d'Algérie, pour cerner une réalité contemporaine. Le Combat dans l'île (1961) et L'Insoumis (1964), bien que remarqués par les critiques, ne rencontrent pas de réel succès commercial. Le cinéaste se tourne alors vers un film policier de commande, Mise à sac, à la fois classique et quelque peu subversif. Vient ensuite La Chamade (1968), adaptation fidèle du roman de Françoise Sagan, qu'interprètent avec grâce Catherine Deneuve et Michel Piccoli. Après une longue absence, Alain Cavalier réussit à renouveler son oeuvre avec des films à petits budgets, aux frontières du cinéma expérimental (Le Plein de super, 1975 et Ce répondeur ne prend pas de messages, 1978). Il renoue avec le succès en 1977 en filmant une histoire d'amour dans Martin et Léa. En 1980, Un étrange voyage, porté par Jean Rochefort et Camille de Casabianca lui vaut le prix Louis-Delluc. C'est en 1986 que le cinéaste trouve réellement son public : Thérèse, évocation dépouillée de la vie de saine Thérèse de Lisieux, obtient notamment six Césars et remporte un immense succès. Le film séduit par sa sobriété et son traitement presque insolite : rupture de la ligne narrative au profit d'une succession de séquences où l'humour et le naturel ne laissent aucune place à l'hagiographie. Portraits (1991) est une série constituée de tableaux de différents métiers exercés par des femmes et qui se réréfient. En 1993, Libera me, qui dénonce l'oppression, est une succession de plans sans dialogues ni musique, et tranche avec sa mise en scène habituelle. Alain Cavalier décide alors de tourner avec une simple caméra DV, sans équipe, et d'abandonner la fiction. Il réalise des séries documentaires de portraits (Vies, 2000). Avec René, dans lequel il filme au quotidien un ami comédien décidé à perdre une trentaine de kilos, il mélange documentaire et fiction. En 2004, Le Filmeur correspond à son journal intime filmé sur plusieurs années. En 2009, il renouvelle l'expérience avec Irène en filmant cette fois l'absence et la disparition de sa compagne Irène Tunc, redonnant notamment vie à des objets lui ayant appartenu. En 2011, Pater, avec Vincent Lindon, est présenté à Cannes et remporte un réel succès critique et public. Le cinéaste y fait l'expérience de confier parfois sa caméra à son interprète pour personnifier à ses côtés les jeux de pouvoir entre un président et son premier ministre.
Courts métrages 1958 | Un Américain | Alain Cavalier |
| 1987 | Accordeuse de piano (L') | Alain Cavalier |
| 1987 | Archetière (L') | Alain Cavalier |
| 1987 | Bistrote (La) | Alain Cavalier |
| 1987 | Brodeuse (La) | Alain Cavalier |
| 1987 | Canneuse (La) | Alain Cavalier |
| 1987 | Cordonnière (La) | Alain Cavalier |
| 1987 | Corsetière (La) | Alain Cavalier |
| 1987 | Dame-lavabo (La) | Alain Cavalier |
| 1987 | Fileuse (La) | Alain Cavalier |
| 1987 | Fleuriste (La) | Alain Cavalier |
| 1987 | Gaveuse (La) | Alain Cavalier |
| 1987 | Illusionniste (L') | Alain Cavalier |
| 1987 | Jeannine aux fers | Alain Cavalier |
| 1987 | Maître-verrier (La) | Alain Cavalier |
| 1987 | Marchande de journaux (La) | Alain Cavalier |
| 1987 | Matelassière (La) | Alain Cavalier |
| 1987 | Opticienne (L') | Alain Cavalier |
| 1987 | Orangère (L') | Alain Cavalier |
| 1987 | Parler et travailler | Alain Cavalier |
| 1987 | Relieuse (La) | Alain Cavalier |
| 1987 | Rémouleuse (La) | Alain Cavalier |
| 1987 | Repasseuse (La) | Alain Cavalier |
| 1987 | Romancière (La) | Alain Cavalier |
| 1987 | Roulotteuse (La) | Alain Cavalier |
| 1987 | Souffleuse de verre (La) | Alain Cavalier |
| 1987 | Trempeuse (La) | Alain Cavalier |
| 1997 | Georges de La Tour | Alain Cavalier |
| 1998 | Boltanski, 1998 | Alain Cavalier |
| 2009 | Sept gouttes de sommeil | Alain Cavalier |
| 2011 | Faire la mort | Alain Cavalier |
| 1959 | Chronique provinciale | Jean-Paul Rappeneau |
| 1959 | Second souffle (Le) | Yannick Bellon |
| 1958 | Un Américain | Alain Cavalier |
| 2003 | Epreuves d'artistes | Gilles Jacob |
| 2005 | Roger Diamantis ou La vraie vie | Élise Girard |
Longs métrages| 1961 | Combat dans l'île (Le) | Alain Cavalier |
| 1964 | Insoumis (L') | Alain Cavalier |
| 1967 | Mise à sac | Alain Cavalier |
| 1968 | Chamade (La) | Alain Cavalier |
| 1975 | Plein de super (Le) | Alain Cavalier |
| 1977 | Martin et Léa | Alain Cavalier |
| 1978 | Ce répondeur ne prend pas de messages | Alain Cavalier |
| 1980 | Un étrange voyage | Alain Cavalier |
| 1985 | Thérèse | Alain Cavalier |
| 1987 | Portraits = Vingt-quatre portraits | Alain Cavalier |
| 1993 | Libera me | Alain Cavalier |
| 1996 | Rencontre (La) | Alain Cavalier |
| 1999 | Vies | Alain Cavalier |
| 2001 | René | Alain Cavalier |
| 2004 | Filmeur (Le) | Alain Cavalier |
| 2007 | Agonie d'un melon | Alain Cavalier |
| 2008 | Braves (Les) | Alain Cavalier |
| 2008 | Irène | Alain Cavalier |
| 2010 | Pater | Alain Cavalier |
| 2013 | Cavalier Express | Alain Cavalier |
| 2013 | Paradis (Le) | Alain Cavalier |
| 2014 | Le Caravage | Alain Cavalier |
| 2017 | Six portraits XL : 1 Léon et Guillaume | Alain Cavalier |
| 2017 | Six portraits XL : 2 Jacotte et Daniel | Alain Cavalier |
| 2017 | Six portraits XL : 3 Philippe et Bernard | Alain Cavalier |
| 2018 | Etre vivant et le savoir | Alain Cavalier |
| 1958 | Amants (Les) | Louis Malle |
| 1960 | Homme à femmes (L') | Jacques-Gérard Cornu |
| 1961 | Combat dans l'île (Le) | Alain Cavalier |
| 1964 | Insoumis (L') | Alain Cavalier |
| 1965 | Vie de château (La) | Jean-Paul Rappeneau |
| 1968 | Chamade (La) | Alain Cavalier |
| 1975 | Plein de super (Le) | Alain Cavalier |
| 1977 | Martin et Léa | Alain Cavalier |
| 1978 | Ce répondeur ne prend pas de messages | Alain Cavalier |
| 1980 | Un étrange voyage | Alain Cavalier |
| 1985 | Thérèse | Alain Cavalier |
| 1993 | Libera me | Alain Cavalier |
| 1999 | Vies | Alain Cavalier |
| 2013 | Paradis (Le) | Alain Cavalier |
| 2014 | Le Caravage | Alain Cavalier |
| 1961 | Combat dans l'île (Le) | Alain Cavalier |
| 1967 | Mise à sac | Alain Cavalier |
| 1968 | Chamade (La) | Alain Cavalier |
| 1980 | Un étrange voyage | Alain Cavalier |
| 2004 | Filmeur (Le) | Alain Cavalier |
| 1999 | Vies | Alain Cavalier |
| 1999 | Vies | Alain Cavalier |
| 1964 | Insoumis (L') | Alain Cavalier |
| 1978 | Ce répondeur ne prend pas de messages | Alain Cavalier |
| 2007 | J'aimerais partager le printemps avec quelqu'un | Joseph Morder |
| 2008 | Irène | Alain Cavalier |
| 2010 | Pater | Alain Cavalier |
| 2018 | Etre vivant et le savoir | Alain Cavalier |