En 1960 grabó su primer largometraje, "Le Propre de l'Homme". Con las ganancias obtenidas gracias a la dirección de cientos de mensajes publicitarios, pudo financiar su segunda película « L'amour avec des si » (1962), que le valió buenos comentarios de la crítica. Con algunos amigos (Pierre Barouh, Amidou, Jean-Pierre Kalfon), dirigió « Une fille et des fusils » en 1964 que ganó varios premios en festivales de cine.
El año 1966 marcó un hito en su carrera. Claude Lelouch ganó La Palma de Oro en el Festival de Cannes con la película « Un homme et une femme », un hermoso melodrama en el que actuó la pareja mítica Anouk Aimée - Jean-Louis Trintignant. La cinta ganó también dos Oscares y al menos 42 premios internacionales.
Claude Lelouch escribió y dirigió inmediatamente después más de treinta peliculas, alternando éxitos y fracasos pero sin dejar de creer en su buena estrella.
Entre sus películas destacan « L'aventure, c'est l'aventure » (1972, sélection au Festival de Cannes), « Le bon et les méchants » (1975), « Les uns et les autres » (1981, Festival de Cannes), « Edith et Marcel » (1983), « Viva la vie ! » (1984, Festival de Venise), « Partir, revenir » (1985), « Itinéraire d'un enfant gâté » (1988, tres nominaciones al Césas), « Il y a des jours. et des lunes » (1990, Festival de Venise), « Tout çà.pour çà ! » (1993), « Les Misérables » (1994, Golden Globe), « Hommes, femmes : mode d'emploi » (1996), « Une pour toutes » (2000), y también « And Now. Ladies & Gentlemen » (2002 , seleccionada en el Festival de Cannes). El primer opus de su trilogía sobre la búsqueda del amor es « Le genre humain : Les Parisiens ». Su última película, rodada en 2007, es “Roman de Gare”.