Etter at han gikk ut fra skolen, begynte Cuarón å arbeide innen TV-produksjon i Mexico, først som tekniker, senere som regissør. I 1991 regisserte han sin første spillefilm, «Sólo con tu pareja».
Solo con tu pareja er en svart komedie om en skjørtejagende businessmann som etter hvert forstår at han er smittet av aids. Filmen ble godt mottatt i Mexico, og senere også i resten av verden.
Cuarón har også regissert den tredje filmen i den suksessrike Harry Potter-serien, Harry Potter og Fangen fra Azkaban. Cuarón har mottatt en del negativ kritikk blant de mer puristiske Harry Potter-fansene for å «ødelegge» filmen, mest fordi de to første filmene, som ble regissert av Chris Columbus, hadde vært veldig tro mot bøkene, mens Cuaróns film tok seg en del kunstneriske friheter. Filmen er også laget i en mørkere tone enn de forrige filmene, noe som kom som et sjokk for en del fans av serien. Forfatter av bøkene, J.K. Rowling, har imidlertid uttalt at filmen til Cuarón så langt er hennes personlige favoritt blant filmene fra serien, og er også den som fikk best kritikk.
I 2006 regisserte han Menneskenes barn, en dystopisk film basert på P.D. James' roman av samme navn. Clive Owen spiller hovedrollen i filmen, som har bemerket seg særlig på grunn av flere lange scener som tilsynelatende er blitt tatt opp i ett klipp med et kamera.
I 2018 kom skrev, regisserte, filmet og produserte Cuarón filmen Roma, som var løst basert på hans egen oppvekst i Mexico by. Filmen vant Gulløven under filmfestivalen i Venezia. Netflix kjøpte distribusjonsrettighetene til filmen i april 2018, men ga regissøren lov til å sette den opp på utvalgte filmfestivaler og kinoer før den fikk premiere på strømmetjenesten. Filmen ble nominert til ti Oscar-priser, blant annet for beste film. Cuarón selv ble nominert til prisene for beste regi, beste manus og beste kinematografi.[17] Han vant sin andre Oscar for beste regi.[18] Han fikk også Oscar for beste kinematografi, og ble med det den første som vant kinematografiprisen for en film hen regisserte.[19]