Après avoir obtenu une licence de lettres classiques, Régis Wargnier débute dans le cinéma comme assistant à la mise en scène, puis assistant de production sur de nombreux films de réalisateurs français et européens, dont Claude Chabrol.
Il cesse cette activité afin d’écrire le scénario de son premier film, en tant que réalisateur, La femme de ma vie (sorti en 1986). Le film obtient un grand succès et le César de la « meilleure première oeuvre ».
Viennent ensuite l’adaptation d’un roman anglais Je suis le seigneur du château, et en 1992, Indochine, qui est un succès mondial et qui obtient l’Oscar du meilleur film étranger.
Ses films suivants prolongeront ce mélange d’aspect épique et intimiste, toujours centrés autour du voyage et d’un personnage féminin: Catherine Deneuve pour Indochine, Emmanuelle Béart pour Une femme française, Sandrine Bonnaire dans Est-Ouest, Kristin Scott Thomas dans Man to man .
On retrouve son intérêt pour l’Histoire avec Le temps des aveux, inspiré du récit de François Bizot, Le Portail, qui raconte la détention d’un ethnologue français par les Khmers rouges, avant que ceux-ci prennent le pouvoir.
Grand passionné d’athlétisme, Régis Wargnier a filmé aussi deux documentaires sur les athlètes, et écrit et réalisé le film de fiction La ligne droite, l’histoire d’un sprinteur devenu aveugle et de la guide qui lui permet de se relancer dans les compétitions.
Son dernier film, La réparation, sorti l’an passé, raconte la mystérieuse disparition d’un célèbre chef cuisinier et l’enquête, jusqu’en Asie, de sa fille pour le retrouver.
Régis Wargnier est aussi l’auteur de deux romans, Les prix d’excellence et La dernière vie de Julia B.
Depuis l’année 2007, il est membre de l’Académie des beaux-arts, dans la section « mise en scène ».