1959'da İstanbul Bakırköy'de doğdu. İstanbul'da doğan Ceylan, babası tarafından Çanakkaleli'dir.
Çocukluk yıllarının büyük bölümü babasının memleketi olan Çanakkale'nin Yenice ilçesinde geçti.
İlköğrenimini Yenice'de tamamladı; ortaokul ve liseyi İstanbul'da tamamladı.
Üniversiteye 1976 yılında İstanbul Teknik Üniversitesi Kimya bölümünde başladı.
1978 yılında Boğaziçi Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümüne geçti.
Boğaziçi Üniversitesi'ndeki eğitimi sırasında üniversitenin fotoğrafçılık, dağcılık ve mağaracılık kulüplerine katılarak doğa etkinlikleri ile ilgilendi.
1985 yılında mezun olduktan sonra Londra ve Katmandu'ya seyahat etti. Türkiye'ye döndükten sonra askerliğini bitirdi ve sinemacı olmaya karar verdi. Mimar Sinan Üniversitesinde iki yıl sinema eğitimi gördü.
İlk uzun metraj filmi 97 yapımı Kasaba'dır.
Ceylan, 2009 Cannes Film Festivali'nde jüri üyesi olarak yer aldı. 2011 Cannes Film Festivali'nde Bir Zamanlar Anadolu'da filmiyle Büyük Jüri Ödülü'ne layık görüldü.
Yönetmenliğini yaptığı Kış Uykusu, 2014 Cannes Film Festivali'nde Altın Palmiye'ye layık görüldü. Böylece Şerif Gören ve Yılmaz Güney'in Yol filminin ardından ikinci kez bir Türk filmi bu ödülü kazanmış oldu.
2018 yapımı Ahlat Ağacı filmi, yönetmenin en çok izlenen ikinci filmi oldu.
Film, 2018 Cannes Film Festivali'ne katılmış ve 91. Akademi Ödülleri'nde En İyi Uluslararası Film Akademi Ödülü'ne aday gösterilmiştir.