Werner Herzog grandit dans un village de Bavière où il n'y a aucun cinéma et ne possède ni télévision ni téléphone. Après des études d'histoire et de littérature, il décide de travailler de nuit comme soudeur pour financer son premier court métrage, Herakles, qu'il réalise à l'âge de 19 ans. Pour garder son indépendance, Werner Herzog s'efforce de produire lui-même ses films. Il réalise en 1968 son premier long métrage, Signes de vie qui obtient un Prix spécial au Festival de Berlin. En 1976, son travail est reconnu internationalement grâce à Aguirre, la colère de Dieu (réalisé en 1972), Prix du syndicat de la critique française et nommé au César du meilleur film étranger. Il devient l'un des chefs de file du cinéma allemand avec Volker Schlöndorff, Reinhard Hauff ou encore Rainer Werner Fassbinder. Avec Aguirre, la colère de Dieu, le cinéaste a connu bien des péripéties. Pour satisfaire son perfectionnisme, l'équipe du film a pris d'énormes risques au Pérou dans des rapides très dangereux. Le tournage de ce film d'aventure a également été marqué par les relations très tendues entre le réalisateur et le comédien Klaus Kinski que Werner Herzog a notamment qualifié d' "hystérique".
Mais le cinéaste fait à nouveau tourner l'acteur dans Woyzeck, présenté au Festival de Cannes où il avait remporté en 1975 le Grand prix spécial du jury pour L'Enigme de Kaspar Hauser, ou encore dans Nosferatu fantome de la nuit avec Isabelle Adjani. Avec ce remake du Nosferatu de Murnau, il se pose en héritier du réalisateur. Entre-temps, le cinéaste allemand aura réalisé quelques films sans son acteur fétiche, notamment Coeur de verre (1976) qui se déroule dans un village de la Bavière au XVIIIème siècle et La Ballade de Bruno (id.), drame social sur le parcours de jeunes allemands en situation précaire.
Après avoir tourné à plusieurs reprises en Afrique à la fin des années 60 (Fata Morgana), il continue de réaliser des films à l'étranger comme Fitzcarraldo (tourné au Pérou en 1982), Le Pays où rêvent les fourmis vertes (tourné en Australie en 1984 ) ou avec Cobra Verde (tourné en Colombie et au Ghana en 1988). Dans les années 90, il réalise plusieurs documentaires dont Ennemis intimes portrait de son comédien fétiche Klaus Kinski avec qui il entretenait une relation d'attraction-répulsion sur les tournages. En 2000, il réalise Invincible, un drame qui se joue dans un cabaret berlinois durant le IIIème Reich, qui présenté au Festival de Venise 2001. Il continuera ensuite sa carrière de documentariste en réalisant en 2003 Wheel of Time sur le Dalaï Lama puis The white diamond sur un ingénieur qui crée un ballon dirigeable pour survoler les forêts de Guyane. L'année suivante, il interprète le cinéaste déchu de Incident au Loch Ness sur son projet de documentaire traitant du mystère qu'entoure le fameux lac écossais. Il exprimera sa passion pour les grands espaces une nouvelle fois avec son film Grizzly man, documentaire sur la vie du documentariste Timothy Treadwell qui vécu treize étés dans un parc d'Alaska avec des Grizzlys.
Il retourne au long-métrage en 2006 avec le film de guerre Rescue Dawn qui sort (injustement) directement en DVD en France. En décembre 2008, le Centre Pompidou lui rend hommage à travers une grande rétrospective de ses films où il présente son dernier documentaire Encounters at the End of the World, inédit en France. Il en profite la même année pour tourner deux films qu'il présente au festival de Venise en 2009. Tout d'abord Bad Lieutenant : Escale à la Nouvelle-Orléans, un remake du film d'Abel Ferrara et dans lequel Nicolas Cage joue le rôle titre ; puis Dans l'oeil d'un tueur avec Michael Shannon et Willem Dafoe où un comédien de théâtre commet les mêmes crimes que le personnage qu'il interprète sur scène.
En 2011, Herzog renoue avec le documentaire et tourne La Grotte des rêves perdus, qui porte sur la découverte de très vieilles cavernes naturelles contenant des peintures réalisées par les hommes de Neandertal.
