Il tourne son premier film majeur, Le Petit Garçon de l'ascenseur, en 1961. Jusqu'en 2006, il réalise plus de quarante films et productions télévisées, en travaillant avec des acteurs prestigieux, tels que Simone Signoret, Lino Ventura, Jean Gabin, Alain Delon ou Romy Schneider. Il a également tourné pour la télévision plusieurs épisodes de Maigret avec Bruno Cremer[1].
En 1965, il réalise La Métamorphose des cloportes, d'après le roman d'Alphonse Boudard. Au début des années 1970, il dirige deux fois Jean Gabin, d'abord dans le polar La Horse puis dans le drame psychologique Le Chat, première adaptation par Granier-Deferre d'un roman de Georges Simenon et dans lequel Gabin donne la réplique à Simone Signoret. Ces deux films lancent définitivement sa carrière.
Granier-Deferre renoue avec Simenon pour son film suivant La Veuve Couderc, avec le duo Alain Delon/Simone Signoret, puis pour Le Train (1973), un film avec Romy Schneider et Jean-Louis Trintignant et se déroulant durant la débâcle de 1940.
Parmi ses autres films de la décennie 1970, on peut citer le drame La Cage (1975), un huis clos dans lequel s'affrontent Lino Ventura et Ingrid Thulin, le film policier Adieu poulet (1975), avec à nouveau Lino Ventura et Patrick Dewaere, et le drame sentimental Une femme à sa fenêtre (1976), adaptation du roman de Pierre Drieu La Rochelle ayant Romy Schneider en vedette.
En juillet 1982, il devait diriger les acteurs Alain Delon et Romy Schneider sur le tournage d'un film du nom de L'un contre l'autre mais avec le décès de l'actrice le 29 mai, le projet est annulé et le tournage ne débutera jamais.
En 1995, il tourne son dernier long-métrage pour le cinéma, Le Petit Garçon. Par la suite, il se consacrera à la réalisation de films pour la télévision, dont plusieurs de la série Maigret.
Pierre Granier-Deferre meurt à l'âge de 80 ans le après une hospitalisation de plusieurs semaines. Il est incinéré au cimetière du Père-Lachaise et ses cendres sont inhumées dans le caveau familial du cimetière d'Auteuil[1].
De 1967 à 1974, il a été marié à l'actrice britannique Susan Hampshire[réf. souhaitée]. Sa précédente épouse était l'artiste de cirque et actrice Annie Fratellini[1]. Pierre Granier-Deferre a eu six enfants et a été grand-père cinq fois[1].
Jacques Layani, Le Cinéma de Pierre Granier-Deferre, essai, L'Harmattan, 2014.
André Encrevé, « Granier-Deferre, Pierre Julien », in Patrick Cabanel et André Encrevé (dir.), Dictionnaire biographique des protestants français de 1787 à nos jours, tome 2 : D-G, Les Éditions de Paris Max Chaleil, Paris, 2020, p. 921-922 (ISBN978-2-84621-288-5)
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