Comincia ad occuparsi di fotografia fin da piccolo, ottenendo numerosi riconoscimenti e attestati su varie riviste specializzate del settore. A sedici anni cura la regia di due opere di Luigi Pirandello e Eduardo De Filippo.

Nel 1979 avvia una collaborazione di successo con la Rai e dirige diversi lavori tra cui Diario di Guttuso, Incontro con Franco Rosi e Le minoranze etniche in Sicilia. Dal 1978 fino al 1985 ricopre l'incarico di presidente della cooperativa Clct e in qualità di produttore, nel 1984, collabora con Giuseppe Ferrara al film per la televisione Cento giorni a Palermo. Esordisce come regista nel 1986 firmando Il camorrista, liberamente tratto dal romanzo del giornalista Giuseppe Marrazzo, ricostruzione della biografia di un boss ispirata alla vita di Raffaele Cutolo. Per la regia di questo film riceve il Globo d'oro della stampa estera.

Nel 1987 dirige Nuovo Cinema Paradiso: l'uscita del film non è fortunata e la pellicola subisce alcuni tagli. Ma la produzione di Franco Cristaldi nutre grande fiducia nella qualità dell'opera. E la fiducia viene premiata: nel 1989 il film ottiene il Gran Premio Speciale della Giuria a Cannes, il Globo d'oro della stampa estera a Hollywood e, nel 1990, il premio Oscar come miglior film straniero. Segue, nel 1990, Stanno tutti bene, viaggio di un padre siciliano alla volta dei suoi figli sparsi per la penisola.

Dallo stesso anno collabora con l'iniziativa Progetto Cinema promuovendo il restauro di pellicole come: La signora delle Camelie, La terra trema, Sciuscià e Il bell'Antonio. Nell'anno accademico 1992-1993 svolge un corso di lezioni alla facoltà di Magistero dell'Università di Palermo, come professore a contratto per l'insegnamento di Estetica.

Firma, nel 1993, Palermo: città antimafia - omaggio a Falcone, breve filmato televisivo per il primo anniversario della strage di Capaci. Il 1994 è l'anno di Una pura formalità, con Gerard Depardieumentre il 1995 è la volta del premiatissimo L'uomo delle stelle, protagonista Sergio Castellitto. Infatti nello stesso anno ottiene il Gran Premio speciale della giuria alla Mostra di Venezia mentre nel 1996 si aggiudica il Nastro d'Argento per il miglior film italiano e il David di Donatello per la miglior regia. Del 1996 è anche Lo schermo a tre punte, un'antologia cinematografica dedicata al cinema siciliano. La leggenda del pianista sull'Oceano, del 1998, tratto dal monologo di Alessandro Baricco Novecento, si rivela un grande successo e ottiene il Nastro d'Argento quale miglior film. L'opera più recente è Malèna (2000), interpretato da Monica Bellucci. La pellicola è una coproduzione italoamericana, candidata agli Oscar 2001 per la miglior colonna sonora (Ennio Morricone) e la miglior fotografia (Lajos Koltai). Tra le onorificenze ricevute da Tornatore, è da segnalare quella come Commendatore della Repubblica Italiana, attribuitagli nel 1996.