Dopo aver contribuito all'affermazione del Neorealismo, soprattutto in veste di critico e sceneggiatore, si è imposto come autore di un cinema politicamente impegnato, affrontando momenti scottanti della storia italiana, dal fascismo alla cronaca più recente. Tra i suoi film: Cronache di poveri amanti (1954), Banditi a Milano (1968), Fontamara (1980), La passione di Angela (2005). Nel 2007 ha ricevuto il David di Donatello alla carriera.

All'inizio degli anni Quaranta partecipò, con interventi su quotidiani e riviste, al dibattito dei gruppi universitari per un cinema d'ispirazione realistica; dalla fronda passò poi all'opposizione al regime fascista. Dopo il 1945, al seguito del settimanale di spettacolo "Film d'oggi", si trasferì a Milano, dove con i ruoli di sceneggiatore, attore o aiuto regista collaborò con Aldo Vergano, Roberto Rossellini e Giuseppe De Santis. Abbandonato il giornalismo (ma continuando a coltivare ricerche che sarebbero confluite nei suoi libri), approfondì la conoscenza del mezzo cinematografico girando documentari. Passato al film di finzione, la sua formazione teorica, marxista e fortemente venata di storicismo, lo condusse a dirigere film che ricostruivano episodi della vita italiana, senza nulla concedere all'istanza privata. Con l'esaurirsi delle poetiche neorealiste si è misurato con le forme del cinema popolare, in particolare con il poliziesco, per raccontare inquietanti episodi della cronaca italiana, come l'emergere del banditismo metropolitano, il neofascismo, la malavita. Negli anni Ottanta Lizzani ha avviato una proficua collaborazione con la televisione pubblica, realizzando alcuni film in doppia versione. Oltre a pubblicare buona parte delle sue sceneggiature, nel corso degli anni Lizzani ha continuato a svolgere un'intensa attività di storico e critico del cinema. È stato inoltre direttore della Mostra del cinema di Venezia (1979-82).

Dopo aver realizzato alcuni documentari (Nel Mezzogiorno qualcosa è cambiato, 1950), nel 1951 diresse il suo primo lungometraggio, Achtung, banditi!, storia di un episodio di guerra partigiana; cui fecero seguito, tra gli altri, Cronache di poveri amanti (1954), riuscito affresco della Firenze degli anni Venti tratto dal romanzo di V. Pratolini, Il processo di Verona (1963), cupa rievocazione della condanna a morte di Galeazzo Ciano, Mussolini ultimo atto (1974), Celluloide (1996), che racconta la difficile genesi di Roma città aperta di Rossellini. È autore di diverse pubblicazioni, tra cui: Il cinema italiano (1953), Attraverso il Novecento (1998), l'autobiografia Il mio lungo viaggio nel secolo breve (2007) e Come uccidere un'idea (2012).