Nascido em São Paulo em 1928 é considerado um dos mais importantes e inovadores cineastas do país. Formou-se em Direito e cursou o Institut de Hautes Études Cinématographiques em Paris. No final da década de 1940, passa a freqüentar cineclubes e realiza curtas-metragens. Em 1953 mudou-se para o Rio de Janeiro, onde trabalhou como jornalista a partir de 1957. Fez também assistência de direção, montagem, produção e trabalhou como ator.

Seu filme de estréia, Rio 40 Graus, de 1955, é considerado um marco no movimento de renovação da cinematografia brasileira que receberia a denominação de "Cinema Novo". Desde este momento, a preocupação social se tornaria um tema constante na obra de Nelson Pereira dos Santos. Rio Zona Norte (1957), seu segundo filme, foi um fracasso de bilheteria, além de Ter sido mal recebido pela crítica. Logo depois, produziu em São Paulo O Grande Momento, com direção de Roberto Santos.

A trajetória de Nelson Pereira dos Santos se estendeu por vários estilos ao longo de sua carreira, alternando temáticas urbanas e rurais. A experimentação não naturalista foi adotada pelo diretor, que em alguns momentos afastou-se da marca do neo-realismo presente nos seus dois primeiros filmes. Dirigiu, no início da década de 1960, o filme Mandacaru Vermelho, e em 1962 realiza o filme Boca de Ouro, baseado em peça homônima escrita em 1958 por Nelson Rodrigues. Em 1970 dirigiu Como era gostoso o meu francês, baseado nas aventuras de Hans Staden, prisioneiro dos Tupinambás no litoral vicentino do Brasil colonial, em cartas e relatórios dos cronistas da colonização, e em trabalhos de cientistas sociais e historiadores contemporâneos.

Nas décadas de 1970 e 1980, realizou quatro filmes que figuram como reflexões sobre a cultura popular brasileira. O Amuleto de Ogum, de 1974, enfatiza os ritos da umbanda. Tenda Dos Milagres (1975) e Jubiabá (1986), adaptações dos livros homônimas de Jorge Amado, são dramas sociais filmados na Bahia que têm como tema a miscigenação, a religiosidade, a moral e a construção da nacionalidade brasileira. E finalmente, A Estrada da Vida, de 1979, analisa a cultura brasileira pelo universo da música sertaneja.

Merecem destaque nesta trajetória suas duas adaptações da obra de Graciliano Ramos, Vidas Secas, de 1963, e Memórias do Cárcere, de 1984. O primeiro aborda a condição social e moral do homem brasileiro pela luta de uma família sem-terra que enfrenta a seca e a opressão sócio-econômica para sobreviver. Memórias do Cárcere retrata o famoso escritor injustamente preso pela polícia durante o governo de Getúlio Vargas, sem qualquer processo ou culpa formada.

Continua a dirigir filmes durante a década de 1990, tendo realizado A terceira margem de rio (1993) e Cinema de lágrimas (1995).

Nelson Pereira dos Santos tornou-se professor de Técnica Cinematográfica na Universidade de Brasília a partir de 1965; e anos mais tarde lecionou na Universidade Federal Fluminense, em Niterói.