Darren Aronofsky est né le {{Date}} dans le quartier de Brooklyn à New York. Il s'intéresse assez vite à l'art et entre à l'université Harvard pour étudier les techniques de réalisation et d'animation. Il y fait la rencontre de Sean Gullette avec qui il tourne son court métrage de fin d'études, Supermarket Sweep.
Le premier long métrage de Darren Aronofsky, Pi, a été tourné en novembre 1997. Le film a été entièrement financé par des donations de 100$, faites par ses amis et sa famille. En retour, il leur promet à chacun 150$ si le film réussit à gagner de l'argent. Il produit finalement son film avec un budget total de 60 000 dollars, et le présente en avant-première au festival du film de Sundance, en 1998. Il remporte le prix du meilleur réalisateur. Juste après, Artisan Entertainment achète les droits de diffusion du film pour 1 million de dollars. Le film sortira plus tard en salle la même année. Acclamé par la critique, il engendrera un total de 3 221 152 dollars de recette au box-office.
Il enchaîne ensuite avec Requiem for a Dream, sorti en 2000 : un film choc sur l'addiction sous toutes ses formes, montrant la décadence infernale d'un quatuor noyant son quotidien dans des visions faussées du paradis et de la célébrité, avec Jared Leto, Jennifer Connelly, Ellen Burstyn et Marlon Wayans. Ce film est basé sur le roman éponyme de Hubert Selby. Aronofsky a travaillé avec, à quelques différences près, la même équipe technique que pour Pi, et ce, pendant 3 ans. Il reçoit un budget de 3,500,000 dollars pour produire le film, qui sort en octobre 2000 et engendre 7 390 108 dollars de recette dans le monde entier. Aronofsky est acclamé par la critique pour son style de réalisation, et est nominé pour le prix du meilleur réalisateur pour les Indépendant Spirit Award. Le film lui-même est nominé pour cinq prix au total, il en gagne deux, celui de meilleure actrice pour Ellen Burstyn, et celui de la meilleure photographie. La bande-son marquante de Requiem for a Dream entrainera la collaboration de Darren Aronofsky et de Clint Mansell pour tous les prochains films du réalisateur.
En avril 2001, Aronofsky entame des négociations avec Warner Bros et Village Roadshow pour réaliser un film de science-fiction, avec Brad Pitt dans le rôle principal. En juin 2001, l'actrice Cate Blanchett est annoncée comme faisant partie du casting. Aronofsky souhaite garder le nom du film secret, il le nomme donc provisoirement The Last Man. La production est finalement reportée à octobre 2002 car Cate Blanchett est censé accoucher en décembre 2001. Le film est maintenant officiellement nommé The Fountain, il a un budget de 70 millions de dollars, co-financé par Warner Bros et New Regency, qui remplace Village Roadshow. Brad Pitt quitte finalement le projet sept semaines avant le premier jour de tournage, stoppant net la production. En février 2004, Warner Bros relance le projet mais cette fois-ci avec un budget de 35 millions de dollars, et avec Hugh Jackman dans le rôle principal. En août, l'actrice Rachel Weisz, à ce moment, la femme d'Aronofsky, est choisie pour remplacer Cate Blanchett. Le film sort finalement le 22 novembre 2006, la veille des vacances de Thanksgiving. Il raconte l'histoire de Tommy (Hugh Jackman), un scientifique fou amoureux de sa femme, Izzy (Rachel Weisz) qui est atteinte d'un cancer incurable. Tommy passe ses journées à essayer de trouver un moyen de guérir sa femme, négligeant l'attention qu'il est censé lui porter. Izzy, de son côté, commence l'écriture d'un livre sur la quête de l'immortalité. Le public et la critique sont extrêmement divisés par rapport au film. En fin de compte, The Fountain aura rapporté 15 978 422 dollars au box-office mondial.
En janvier 2008, il commence le tournage de The Wrestler ; bien que Nicolas Cage ait un temps été envisagé pour le rôle principal, c'est finalement Mickey Rourke qui est choisi par Aronofsky. Ce film marque ainsi le retour de Mickey Rourke, après plusieurs années passées loin des écrans de cinéma. The Wrestler sort le 17 décembre 2008 aux États-Unis et le 18 février 2009 en France. Le film reçoit un très bon accueil par la critique, remportant plusieurs récompenses dont le Lion d'or à la Mostra de Venise. Le film a également reçu deux nominations aux Oscars : Meilleur actrice dans un second rôle et Meilleur acteur.
Il est un temps pressenti pour réaliser RoboCop, le remake du film de Paul Verhoeven, mais à la suite de la grave crise financière du studio MGM, le projet fut momentanément abandonné, le film sera finalement réalisé par José Padilha.
En 2010, il sort Black Swan avec Natalie Portman, Vincent Cassel, Mila Kunis, Barbara Hershey et Winona Ryder, qui connaît lui aussi un grand succès et gagne de nombreux prix, notamment l'Oscar 2011 de la meilleure actrice pour Natalie Portman.
En 2014, (après avoir décliné la réalisation de Wolverine : Le Combat de l'immortel) il réalise la fresque biblique Noé avec Russel Crowe, Jennifer Connelly, Anthony Hopkins, Douglas Booth, Logan Lerman et Emma Watson. Le film est un très gros succès au box-office.
Il préside le jury de la 68e édition de la Mostra de Venise du 31 août au 10 septembre 2011, mais aussi celui de la 65e Berlinale en février 2015.
Il a vécu de 2001 à 2010 avec l'actrice britannique Rachel Weisz, qui est la mère de son fils, Henry.