Après des études universitaires à la faculté de droit, Paulo Rocha se lie activement au mouvement des ciné-clubs, qui lutte contre la torpeur et l'isolement du cinéma national portugais.
Il vient à Paris de 1959 à 1961, suit les cours de l'IDHEC et obtient son diplôme de réalisateur. Il est l'assistant de Jean Renoir pour le Caporal épinglé (1961) et de Manoel de Oliveira pour le Mystère du printemps et la Chasse (1962).
Il tourne deux films, Les vertes années (Os Verdes Anos, 1963) et Changer de vie (Mudar de Vida, 1966), qui sont deux étapes essentielles dans la nouvelle prise de conscience du cinéma portugais au cours des années 60. Les difficultés de production et de distribution au Portugal empêchent sa carrière de se poursuivre harmonieusement.
Devenu attaché culturel à Tokyo après avoir dirigé de 1973 à 1974 le Centre du cinéma portugais, il mène à bien en 1982 après plus de dix années d'effort un projet ambitieux : l'Île des amours, qui évoque l'époque, l'oeuvre, les amours, la vie et la mort de Wenceslau de Moraes, grand écrivain portugais obsédé par l'Extrême-Orient. Le film, d'une somptueuse beauté, est la plus audacieuse aventure de production du cinéma portugais. Il a été complété en 1984 par l'Île de Moraes , documentaire sur la vie énigmatique de l'écrivain réalisé à la lumière du film précédent.
En 1986, il tourne Les montagnes de la lune en s'inspirant du Roman de Genji écrit vers l'an 1000 par Shikibu Murasaki sur le double thème du pouvoir et de la séduction. L'oeuvre, lente et contemplative, rejoint en mineur l'itinéraire esthétique de l'Île des amours.
Dans les années suivantes Rocha, qui, pour le nombre des projets jamais réalisés et les difficultés de production, peut être considéré le cinéaste le plus censuré de son pays. Il est le seul auquel on a toujours dénié des aides économiques officielles.
Son retour au long métrage de fiction avec Le fleuve d'or en 1998, situé dans le Nord du Portugal, coïncide avec un film qui raconte une histoire passionnelle et violente, d'une cruauté et d'un pouvoir visionnaire étonnants.
En 2000 Rocha réalise la Racine du coeur, une allégorie parodique de la corruption politique et de l'opportunisme de la culture officielle.
