Il débute aux côtés de René Allio, comme stagiaire sur Les Camisards (1970), accessoiriste pour Rude Journée pour la reine (1973) et assistant à la mise en scène sur Moi, Pierre Rivière, ayant égorgé ma mère, ma sœur et mon frère... (1975).
En 1978, il co-réalise avec Gérard Mordillat un premier long-métrage documentaire, La Voix de son maître, dans lequel une douzaine de patrons de grands groupes industriels (L’Oréal, IBM, Thomson, Elf…) parlent du pouvoir, du commandement, de la hiérarchie ou encore du rôle des syndicats, esquissant peu à peu l’image d’un monde dominé par la finance.
De 1985 à 1987, il tourne plusieurs films de montagne et d'aventure sportive pour la télévision, puis il se lance dans la réalisation de longs métrages documentaires qui seront tous distribués en salles : La Ville Louvre (1990), Le Pays des sourds (1992), Un animal, des animaux (1995), La Moindre des choses (1996) - à la clinique psychiatrique de La Borde - ainsi qu’un film-essai avec les élèves de l’école du Théâtre national de Strasbourg, Qui sait ? (1998)
En 2001, Nicolas Philibert réalise Être et avoir, sur la vie quotidienne d'une école à classe unique dans un petit village d'Auvergne. Notamment récompensé par le Prix Louis Delluc 2002 et le César du meilleur montage 2003, ce film connaîtra un immense succès en France et dans le monde entier.
Avec Retour en Normandie (2007), il revient sur les traces d’un autre film, tourné trente ans plus tôt par le cinéaste René Allio, Moi, Pierre Rivière, ayant égorgé ma mère, ma sœur et mon frère.... Alors jeune assistant-réalisateur sur ce tournage, Nicolas Philibert avait passé trois mois à recruter les paysans de la région pour jouer les rôles principaux de ce film.
Avec Nénette (2010), tourné à la Ménagerie du Jardin des plantes à Paris, il fait le portrait de la doyenne des lieux : une femelle orang-outan, en captivité depuis 37 ans.
Dans La Maison de la radio (2013), il filme au cœur de Radio France, à la découverte de ce qui échappe habituellement aux regards : les mystères et les coulisses d’un média dont la matière même, le son, reste invisible.
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