Fils du réalisateur Luis Buñuel, Juan Luis fut éduqué chez les Jésuites, il poursuit ses études universitaires en Amérique du Nord. Alors qu'il se trouve au Mexique pour assister au tournage d'un film de son père, il est engagé pour devenir l'assistant d'Orson Welles, parlant espagnol et anglais. Puis il travaille comme assistant pour plusieurs cinéastes (Jacques Doniol-Valcroze, Louis Malle, Henri Verneuil, Juan Antonio Bardem) et pour son père, Luis Buñuel, de 1959 à 1963, pour quatre films (La fièvre monte à El Pao, La Jeune Fille, Viridiana et Le Journal d'une femme de chambre)
Juan Luis Buñuel est aussi un acteur, et est apparu dans le film Henry et June (1990), comme un éditeur. Au cours du film, le film de son père Un chien andalou est visible. Il joue également le rôle du général Ernesto Juarez dans L'aventure c'est l'aventure de Claude Lelouch.
Juan Luis Buñuel était marié à Joyce Buñuel, avec qui il a eu un fils Diego Buñuel.
