Figlio di un ricco imprenditore tessile ebreo, ricevette un'educazione antifascista e al contempo laica. Nel 1936 si iscrisse alla facoltà di Chimica dell'Università di Pisa, ma nel 1939 raggiunse il fratello Bruno (il celebre fisico che nel 1950 sarebbe espatriato in Unione Sovietica) a Parigi per seguire un corso di giornalismo. Nella capitale francese cominciò a lavorare per l'Havas (attuale Agence France Press) ed entrò in contatto con il Partito comunista italiano clandestino, poi partecipò alla Resistenza in Piemonte. Finita la guerra fu corrispondente per diversi quotidiani ed esordì nel cinema come attore nel 1946 interpretando Il sole sorge ancora; più tardi fu aiuto di Yves Allégret sul set di Les miracles n'ont lieu qu'une fois (1951). Esordì nella regia con Giovanna (1956), episodio di Die Windrose, film collettivo curato da Joris Ivens sul ruolo della donna nella lotta sociale. La grande strada azzurra (1957) è il suo primo lungometraggio, interpretato da Yves Montand e Alida Valli e tratto da un romanzo di Franco Solinas, con cui stringerà un fruttuoso sodalizio artistico. Il successivo Kapò (1960), scritto con Solinas, strepitoso successo alla Mostra del cinema di Venezia, ebbe il merito di portare sullo schermo italiano la tragedia della Shoah. Erede dell'approccio diretto alla realtà del Neorealismo e dell'intensità poetica e corale del cinema sovietico, ha realizzato opere con uno stile essenziale, sostenute da un montaggio non narrativo e da un commento musicale (al quale in più di un'occasione ha collaborato) in grado di intensificare il ritmo del film. Si è mantenuto fedele all'idea di un cinema caratterizzato da un saldo impegno ideologico e da una forte carica di denuncia. Ha ottenuto numerosi riconoscimenti tra cui il Leone d'oro alla Mostra del cinema di Venezia nel 1966 per La battaglia di Algeri e due David di Donatello, rispettivamente per Queimada (1969) nel 1970 e per Operación Ogro (1979; Ogro) nel 1980.