Titulaire d'un diplôme d'ingénieur à l'université du Bosphore, Nuri Bilge Ceylan étudie ensuite la mise en scène à Istanbul, sa ville natale. Dès son premier court métrage, Koza, il est sélectionné au Festival de Cannes. Il tourne en 1998 son premier long métrage, Kasaba, qui obtient le Prix Spécial du Jury au Festival Premiers Plans d'Angers.
C'est avec son deuxième film Nuages de mai, sélectionné à Berlin, qu'il accède à la reconnaissance internationale. La critique salue ce film contemplatif réalisé par un admirateur d'Ozu et Bergman. Auteur à part entière, Ceylan participe à toutes les étapes de la création de l'oeuvre (scénario, réalisation, montage, production) et s'entoure de proches, parents et amis, pour l'équipe technique et le casting, tout en faisant souvent appel à des comédiens non-professionnels.
En 2003, Uzak, qui aborde des questions sociales (le travail, l'urbanisation) à travers l'étude de la relation entre deux frères, est le film de la consécration pour Ceylan. Premier réalisateur turc à figurer dans la compétition cannoise depuis Yilmaz Guney, Palme d'or pour Yol 20 ans plus tôt, il en repart auréolé du Grand Prix et du Prix d'interprétation pour ses deux comédiens. Il revient sur la Croisette avec son quatrième long métrage, Les Climats (2006), portrait d'un couple en crise, dans lequel il joue le rôle principal aux côtés d'Ebru Ceylan, son épouse à la ville. Celle-ci co-écrit le scénario des Trois singes, Prix de la Mise en scène à Cannes en 2008, une nouvelle exploration des méandres de l'âme humaine, entre compromis et lâcheté.
L'aventure de Cannes pour ce réalisateur turc ne s'achève pas, puisqu'il reçoit en 2011 le Grand Prix de la part de Robert De Niro pour son très long film (de 2h37) Il était une fois en Anatolie, qui raconte l'histoire d'un meurtrier tentant de guider des policiers vers un corps qu'il a lui même enterré.