Луїс — первісток колишнього учасника іспано-американської війни та підприємця Леонардо Бунюеля та Марії Портолес, яка молодша за чоловіка на 25 років. Після народження сина в сім'ї з'явилися ще шестеро дітей, і всі у столиці Арагона — Сарагосі, куди Бунюель-старший із дружиною перебралися із сільської глушині після появи первістка.

У місті Луїс вирушив до єзуїтської школи, де панували найсуворіша дисципліна та релігійна освіта. Хлопчик гостро реагував на важку атмосферу в школі і після її закінчення перетворився на запеклого супротивника католицької віри.

Закінчивши школу, Луїс продовжив освіту в Мадридському університеті. Він не відразу знайшов себе: спочатку вивчав агрономію, потім метався між філософією, історією та літературою, закінчив ВУЗ зі ступенем у галузі мистецтв.

У студентські роки і розпочалася творча біографія Бунюеля, який влився у богемну спільноту Студентської резиденції. Тут майбутній режисер та сценарист близько зійшовся з Федеріко Гарсією Лоркою та Сальвадором Далі.

Отримавши диплом, Бунюель вирушив до Парижа.

Бунюель провів молодість в Парижі і був близький до літературної групи сюрреалістів, а після свого режисерського дебюту - німого короткометражного фільму «Андалузький пес» (1929, спільно з Сальвадором Далі), що став великою подією в історії кінематографа, - був формально прийнятий в члени групи. Виїхавши з Іспанії під час Громадянської війни, Бунюель жив в США, а з 1946 року влаштувався в Мексиці. У 1950-х роках він працював в комерційних жанрах, але в цей же період поставив радикальну драму «Забуті», що отримала визнання критиків і приз за кращу режисуру Каннського кінофестивалю.

Після довгої перерви режисер зміг повернутися на батьківщину, щоб поставити фільм «Виридиана». Картина викликала скандал своєї антирелігійної спрямованістю і була заборонена в Іспанії, але принесла режисерові «Золоту пальмову гілку» в Каннах (1961). З середини 1960-х Бунюель знімав фільми переважно у Франції. Його пізні роботи були удостоєні найпрестижніших кінематографічних нагород, в тому числі «Золотого лева» ( «Денна красуня», 1967) і «Оскара» за кращий фільм іноземною мовою ( «Скромна чарівність буржуазії», 1973).

Бунюель вважається одним з основоположників і найважливішим представником сюрреалізму в кінематографі. У його фільмах різних років відображені основні особливості поетики сюрреалізму: змішання реальності і сну, поєднання непоєднуваного і конструювання образів, що мають на меті викликати у непідготовленого глядача шок. Залишаючись все життя прихильником комуністичних поглядів і атеїстом, Бунюель зробив постійною темою своїх фільмів критику сучасного йому суспільства, буржуазії, церкви і архаїчних традицій Іспанії.

Хоча Бунюель і був найяскравішим представником сюрреалістів, його особисте життя відрізнялося від того, яке проповідували представники спрямування. Навіть у молодості він відкидав вільні стосунки та безладні зв'язки, хоча смаглявий, з вибуховим темпераментом і виразними очима молодий чоловік середнього зросту (1,71 м) мав успіх у жінок.

Одружившись із француженкою Жанною Рукар, Луїс Бунюель став зразковим сім'янином. Дружина народила дружину двох дітей – синів Хуана Луїса та Рафаеля. Обидва стали режисерами. Фото сім'ї складно відшукати в мережі, натомість є знімки, на яких відображено Бунюель із другом Сальвадором Далі.

За рік до смерті вийшла книга мемуарів режисера, в якій він розповів про життя та творчість. Незадовго до смерті Бунюель оглух і осліп. Останні роки метр провів у Мексиці.

Причиною смерті стали серцева, печінкова та ниркова недостатності. Останній притулок великого майстра - капела домініканського монастиря Сан Альберто Маньо в Мехіко.