Né à Recife, Kleber Mendonça Filho est diplômé en journalisme. Il mène une longue carrière de critique et programmateur de cinéma, dirigeant notamment la section cinéma de la Fondation Joaquim Nabuco et écrivant pour le Jornal do Commercio ainsi que pour des magazines comme Revista Continente et Folha de São Paulo. Il est aujourd’hui directeur artistique de la Janela Internacional de Cinema de Recife et conservateur en chef du cinéma à l’Institut Moreira Salles. Son premier long métrage, Les Bruits de Recife, est sélectionné dans plus de 100 festivals internationaux et remporte 32 prix. Le film représente le Brésil aux Oscars en 2014 et figure parmi les « 10 meilleurs films de l’année » du New York Times. Son deuxième long métrage, Aquarius, connaît un parcours encore plus prestigieux avec une sortie dans plus de 100 pays. En 2019, il coréalise Bacurau avec Juliano Dornelles, présenté en Compétition officielle à Cannes, où il remporte le Prix du Jury. Son documentaire Ghost Portrait fait sa première mondiale à Cannes en 2023 en séance spéciale, après sept années de travail. En 2025, son film L’Agent secret est présenté en Compétition officielle à Cannes, où il reçoit les prix de la Meilleure réalisation et du Meilleur acteur (attribué à Wagner Moura).