C'est lors d'une conférence à Calais que Xavier Beauvois, passionné de cinéma alors en classe de terminale, rencontre Jean Douchet, critique et cinéaste. Ce dernier lui donne une chance de s'extirper du milieu ouvrier auquel il semble promis en l'invitant à Paris et en l'encourageant à s'engager dans le cinéma. Beauvois déclarera plus tard : "Le cinéma m'a sauvé la vie ! (...) Ce n'est même pas un métier, c'est une passion. Quand je pense à mon enfance, là d'où je viens, à ce que j'aurais pu faire là-bas... Ce n'était pas possible, il fallait que je sorte de là..."

Il débute en assistant réalisateur avec André Techiné sur Les Innocents, et Manoel de Oliveira pour Mon cas, avant de réaliser son premier court métrage, Le Matou (1986). Trois ans plus tard, il passe au long métrage avec Nord (1989).

Après un séjour à la Villa Médicis, lieu de résidence et de travail pour artistes sous la tutelle du Ministère de la culture, il réalise N'oublie pas que tu vas mourir (1995), chronique désenchantée et romantique d'un étudiant apprenant sa séropositivité, qui lui vaut le Prix Jean Vigo et le Prix du Jury au Festival de Cannes. Il signe en 2001 Selon Matthieu, avec Benoît Magimel et Nathalie Baye et offre à cette dernière l'un des deux rôles principaux du Petit lieutenant (2005).

En tant qu'acteur, Xavier Beauvois est fidèle à ses réalisateurs, notamment à Jean-Paul Salomé (Arsène Lupin, Les Femmes de l'ombre et Le Caméléon) et à Benoît Jacquot (Villa Amalia et Les Adieux à la reine). Toujours dans des petits rôles, il se glisse en 2011 dans la peau de personnages secondaires mais marquants pour les besoins de L'Apollonide - souvenirs de la maison close et De bon matin.

Côté mise en scène, l'année 2010 marque à la fois une consécration et un tournant décisif dans sa carrière. En effet, cinq ans après son dernier film, Xavier Beauvois revient à la réalisation en présentant au Festival de Cannes Des hommes et des dieux. Succès monumental, tant critique que commercial, le film obtient le Grand Prix du Jury et, plus tard, le César du Meilleur film. 
Il réalise ensuite La Rançon de la Gloire, en 2013, qui retrace l’histoire de voleurs décidés à dérober le cerceuil de Charlie Chaplin pour demander une rançon. En 2016, il adapte le roman Les Gardiennes, d’Ernest Pérochon dans un film éponyme, avec Nathalie Baye et Laura Smet.