Seu pseudônimo Léos Carax corresponde ao anagrama de seus dois primeiros nomes, Alex e Oscar. Depois de concluir seus estudos de cinema na universidade Paris VII e no American College of Paris, Léos Carax dirige curtas-metragens, notadamente Strangulation Blues, e trabalha para a revista Cahiers du cinéma.

Aos 23 anos, dirige seu primeiro longa-metragem, Boy meets girl (1984), em preto e branco. Essa obra cheia de instabilidade e tormento, cuja inspiração é o cinema mudo de Cocteau e de Godard, traz paradoxalmente um frescor incrível ao cinema francês da década de 1980. Trata-se da história de um amor que nasce e morre ao mesmo tempo, aquele de Alex (Denis Lavant), alter ego do diretor.

Nos deparamos novamente com Denis Lavant (interpretando novamente Alex), Juliette Binoche (no papel de Anna) e Michel Piccoli no filme Mauvais Sang (vencedor do prêmio Delluc em 1986), thriller poético e pop, que concilia rapidez e lentidão, sobre o misterioso vírus transmitido por "aqueles que fazem amor sem amor" e o temível calor do cometa Halley que se aproxima da Terra…

No ano de 1988, começa a filmagem de seu filme cult Les Amants du Pont-Neuf, que durará três anos e reunirá novamente seus dois atores favoritos, Juliette Binoche e Denis Lavant (respectivamente nos papéis de Anna e Alex) em meio a uma história de amor louco entre dois marginais vivendo nas ruas.

Pola X, com Guillaume Depardieu e Catherine Deneuve, é lançado em 1999: "o filme mais bonito da última década", segundo o diretor Jacques Rivette.

Léos Carax lança em seguida seu quinto longa-metragem, Holy Motors, que participa da competição do Festival de Cannes de 2012.