Jacques Doillon naît le 15 mars 1944 à Paris dans une famille modeste : son père est comptable, sa mère standardiste. Élève au lycée Voltaire à Paris, il fréquente le ciné-club animé par le professeur de littérature Henri Agel.
Doillon commence comme monteur, notamment sur des documentaires Paris Secret d'Édouard Logereau en 1965 et Paris top secret de Pierre Roustang en 1969. En 1973, il réalise son premier long métrage L'An 01 d'après la bande dessinée de Gébé (la partie Afrique est réalisée par Jean Rouch et la partie à New York par Alain Resnais).
En 1994, il s'inspire de l'histoire de Germaine de Staël et Benjamin Constant pour réaliser un long métrage de cinéma Du fond du cœur et une version longue en douze épisodes pour la télévision Germaine et Benjamin.
Ses films, intimistes et personnels, proposent une réflexion sur l'enfance, la frustration, le tourment, la complexité du sentiment et le rapport de classe. Son œuvre se caractérise principalement par des récits linéaires et ténus, marqués par une grande tendresse pour les personnages en perdition. Elle fait également le choix récurrent d'espaces clos et de décors naturels, réduits au strict minimum. On note par ailleurs des dialogues foisonnants et des plans inscrits ostensiblement dans la durée.
Il a vécu avec Jane Birkin de 1980 à 1992, est le père de l'actrice Lou Doillon ainsi que de Lola Doillon (réalisatrice et fille de Noëlle Boisson), Lili Doillon et de Lina Doillon.