Truffaut házasságon kívül született, anyja és mostohaapja, Roland Truffaut nevelte fel. Sohasem találkozott vér szerinti apjával. Apja műszaki rajzoló volt, anyja titkárnő egy hetilapnál. Nehéz gyermekkora volt, gyakran lázadozott a szülei és általában mindenféle hatalom ellen. Truffaut-nak meglehetősen mozgalmas, sőt zűrös ifjúsága volt, csavargott, kimaradt az iskolából, s emiatt elmérgesedett a viszonya családjával. Kifutófiúként, majd gyári munkából próbált megélni, s közben egy klubban elmaradhatatlan résztvevője volt minden filmvitának.
Megismerkedett az Elle című lap irodalmi vezetőjével, aki filmrecenziók írásával bízta meg, így otthagyta a gyári munkát. Egy munkás filmklub alapításán fáradozott, amikor egy szélhámos miatt pénzügyi zűrbe keveredett, és apja intézkedésére fiatalkorúak nevelőintézetébe került – ennek emlékeivel találkozhatott a néző a Négyszáz csapásban.
Élete filmjében romantikus fordulat következett: levelet írt André Bazinnek, a legnagyobb francia filmkritikusnak és filmesztétának, aki kihozatta az intézetből és két helyen is munkát szerzett neki. A fiú éjjel-nappal a Cinématheque (a párizsi filmmúzeum) vetítésein ült, az iskola és a család elől is a moziba menekült. Egy szerelmi csalódás 18 évesen a katonasághoz kergette, ám fél év németországi kiképzés után Vietnamba vezényelték volna. Ehhez persze nem volt kedve, s katonaszökevény lett; ismét Bazin mentette meg, aki leszereltette védencét.
Truffaut az ötvenes évek elejére már a Cahiers du Cinéma című szaklap ismert kritikusa volt, amely Bazin védőszárnya alatt lett az úgynevezett francia újhullám fészke. Truffaut leghírhedtebb vitacikke – „A francia film bizonyos irányzata" – támadás volt a hagyományos film és filmesek ellen. Élőhalottnak nevezte a korabeli francia filmművészetet, követelte a szerzői filmet, amelyben szabadon bontakozhat ki a rendező teremtő egyénisége.
A filmkészítés gyakorlatával 1956-ban, az olasz Roberto Rossellini asszisztenseként ismerkedett meg.
1957. október 29-én feleségül vette Madeleine Morgensternt. Ebből a házasságból két gyermeke született: Laura (1959) és Eve (1961). Apósa – aki filmproducer és -értékesítő volt – segítette Truffaut-t karrierje elindításában.
Dolgozott Jacques Rivette és Jean-Luc Godard stábjában, rendezett két rövidfilmet, majd 1959-ben elkészítette első, önéletrajzi ihletésű filmjét. Az 1959-es Négyszáz csapást is nagy részben saját gyermekkoráról mintázta. Truffaut négy további filmjének is, amelyek Antoine Doinel (Jean-Pierre Léaud) életének 20 évét ölelik át, Claude Jade partnereként, aki előbb a barátnőjét, majd a felesége, Christine szerepét játszotta. A gyermekkor gyötrelmeiről szóló Négyszáz csapás tizenkét nemzetközi díjat, közte a cannes-i legjobb rendezés díját hozta, s azonnal a filmművészet nagyjai közé emelte. A film főhőse, Antoine – Jean-Pierre Léaud megformálásában – Truffaut megszemélyesítője és filmjeinek visszatérő figurája, felbukkan a Húszévesek szerelme egyik epizódjában (1961), az Antoine és Colette-ben (1962), a Lopott csókokban (1968), a Családi fészekben (1970), majd az Antoine Doinel-történeteket lezáró Menekülő szerelemben (1979).
A Cahiers köré tömörült művészek közömbösek voltak a hagyományos filmművészet iránt, lazább szövegkönyvvel és szabadabb vágási technikával dolgoztak. Közülük is kitűnt Truffaut, a Négyszáz csapás, majd az Lőj a zongoristára (1960) változatos, újszerű ötleteivel tűnt fel és ki. Bár többször visszatért a klasszikusabb látásmódhoz, művészetére végig jellemző volt a különböző műfajokkal való kísérletezés. Truffaut mégsem a képi világával, formanyelvével hozott újat a filmművészetben, hanem avval, hogy megteremtette az úgynevezett személyes filmet.
Filmjeinek többsége regényből készült, de ezeket csak alapötletként használta, s a témát maga formálta új, önálló művé. A Jules és Jim (1962) Henri-Pierre Roché elfelejtett regényéből lett a francia filmes új hullám alapműve. A történet közel húsz évet, három ember különös és megrendítő kapcsolatát, szerelmüket, barátságukat és halálukat öleli át.
1965-ben elvált feleségétől. Truffaut három dolog mozgatta: a film szeretete, a férfi-nő kapcsolat iránti kíváncsiság és a gyermekkor bűvölete. Műveiben eredetien ábrázolta a szerelem gyötrelmeit, a fiatalkor ártatlanságát és magányérzetét.
Ismertebb filmjei még: a Ray Bradbury fantasztikus novellájából készült 451 Fahrenheit (1966), A vad gyerek (1970), az Amerikai éjszaka (1973), amely elnyerte a legjobb külföldi film kategóriájában az Oscar-díjat és A zöld szoba (1978), amelyben ő maga is játszott. Színészként láthattuk Steven SpielbergHarmadik típusú találkozások (1977) című filmjében. Későbbi élettársa Fanny Ardant színésznő, akitől 1983-ban gyermeke is született (Joséphine). A szerelmi kapcsolatok témája vezérfonalként húzódik végig munkásságán. Második felesége a jellegzetes szépségű Fanny Ardant volt a Végre vasárnap és a Szomszéd szeretők női főszereplője.
François Truffaut filmjeinek meggyőző ereje finom jellemábrázolásaiban és a tapintatosan háttérben maradó rendezésben rejlik. A drámai csúcspontokat sosem játszotta ki, csupán sejttette a legfontosabb mozzanatokat. Már kritikusként is vallotta, majd filmjeiben követte azt a nézetet, hogy a film csakis a legszemélyesebb tapasztalatokról szóljon, arról beszéljen, amiről van mondanivalója.
Truffaut nagyon nagyra tartotta és kiválóan ismerte Hitchcock munkásságát, interjú- és beszélgetéskötetet is összeállított róla. Utolsó filmje, a Végre vasárnap! című fekete-fehér thrillerkomédia akár Hitchcock-parafrázisnak is tekinthető.