Wes Anderson fait des études de philosophie et tourne parallèlement des courts-métrages en {{nobr}} qui le forment à la technique cinématographique, notamment au montage et à l'édition.
Il rencontre Owen Wilson à l'université du Texas à Austin dans un cours d'écriture de scénario. Ils deviendront vite amis, jusqu'à partager la même chambre d'internat. C'est ainsi que les frères Wilson : Owen Wilson, Andrew et Luke joueront régulièrement dans ses films. Il décide de ne pas suivre d'études de cinéma et se lance dans un projet de court-métrage qui deviendra bientôt Bottle Rocket, son premier long-métrage. Cet apprentissage par la pratique fait de Wes Anderson un réalisateur largement autodidacte. Correctement couvert par la critique, Bottle Rocket reste cependant un échec commercial.
En 1998, toujours aidé par les frères Wilson, il réalise Rushmore qui lui permet d'obtenir la reconnaissance auprès du grand public qui avait manqué à Bottle Rocket. Ce film lui permettra en outre d'accéder à un certain niveau d'estime au sein des cinéastes américains indépendants .
Profitant de son amitié avec les désormais célèbres Luke et Owen Wilson, Wes Anderson réalise, en 2001, La Famille Tenenbaum, film pour lequel il réunit Gene Hackman, Anjelica Huston, Ben Stiller et Bill Murray. Ce dernier incarnera ensuite Steve Zissou dans La Vie aquatique.
Dans son cinquième long-métrage, À bord du Darjeeling Limited, Wes Anderson retrouve Owen Wilson, accompagné cette fois de Jason Schwartzman (déjà présent dans Rushmore) et Adrien Brody. Le film est projeté précédé du court métrage Hôtel Chevalier (2005), dans lequel jouent Schwartzman et Natalie Portman.
Il réalise en 2009 Fantastic Mr. Fox, film d'animation adapté de la nouvelle Fantastique Maître Renard de Roald Dahl, auquel George Clooney, Meryl Streep et Bill Murray prêteront leur voix. En 2010, le film remporte le Cristal du long métrage au Festival international du film d'animation d'Annecy. Il fut nommé pour la 82{{e}} Cérémonie des Oscars et les {{67e}} Golden Globes dans la catégorie meilleur film d'animation (il sera battu par Là-Haut de Pixar).
En 2012, il réalise Moonrise Kingdom, une comédie dramatique sur l'enfance naïve découvrant l'amour, dans le cadre des années 1960. La distribution inclut Bruce Willis, Edward Norton et Bill Murray. Le film fait l'ouverture du {{65e}} Festival de Cannes en plus d'être acclamé par la critique.
En 2014, Wes Anderson tourne The Grand Budapest Hotel, une comédie sur le concierge (incarné par Ralph Fiennes) d'un hôtel rempli de clients atypiques pendant l'entre-deux-guerres, accusé de meurtre. Le film résume le style de Wes Anderson avec une mise en scène colorée, un comique loufoque, absurde et un casting prestigieux. Le film obtiendra le Grand Prix du Jury de la Berlinale 2014. The Grand Budapest Hotel sera une acclamation critique et le plus gros succès mondial de Wes Anderson avec {{Unité}} au Box-office, succès français également avec 1,4 million d'entrées.
Il a vécu de nombreuses années à Paris.