Tại Pháp, Trần Anh Hùng theo học tại trường điện ảnh danh tiếng École Louis-Lumière và thực hiện đề tài tốt nghiệp năm 1987 bằng việc đạo diễn bộ phim ngắn, Người thiếu phụ Nam Xương (La Femme Mariée de Nam Xuong) năm 1987, tác phẩm này cũng do Anh Hùng viết kịch bản lấy cảm hứng từ Truyền kỳ mạn lục, một tác phẩm văn học Việt Nam cổ do Nguyễn Dữ sáng tác.

Sau Người thiếu phụ Nam Xương, Anh Hùng còn thực hiện một bộ phim ngắn khác là Hòn vọng phu (La Pierre de l'Attente, 1991) trước khi bắt tay vào đạo diễn bộ phim điện ảnh Mùi đu đủ xanh (L'Odeur de la papaye verte). Tác phẩm sau khi công chiếu đã nhận được rất nhiều lời khen ngợi về phong cách thực hiện cũng như những cảnh quay rất đẹp về Việt Nam, riêng Trần Anh Hùng đã được trao giải Caméra d'Or (Máy quay vàng) cho quay phim xuất sắc nhất tại Liên hoan phim Cannes 1993 và Giải César cho phim đầu tay xuất sắc nhất (César de la meilleure première œuvre) tại lễ trao giải César của Viện Hàn lâm Nghệ thuật và Kỹ thuật Điện ảnh Pháp. Mùi đu đủ xanh cũng là tác phẩm duy nhất đại diện cho điện ảnh Việt Nam cho đến nay lọt vào danh sách đề cử rút gọn của Giải Oscar cho phim ngoại ngữ hay nhất.[3]

Thành công của Mùi đu đủ xanh đã giúp Trần Anh Hùng có kinh phí để thực hiện bộ phim lớn Xích lô (Cyclo). Bộ phim nói về cuộc sống khó khăn của những người dân nghèo Thành phố Hồ Chí Minh có sự tham gia của ngôi sao Hồng Kông Lương Triều Vỹ, hai diễn viên đã xuất hiện trong Mùi đu đủ xanh, đó là nghệ sĩ Như Quỳnh và Trần Nữ Yên Khê, vợ của Anh Hùng, một diễn viên không chuyên người Việt tên là Lê Văn Lộc, và một nhóm làm phim đa quốc tịch.[4] Bộ phim được quay tại Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự cho phép của chính quyền sở tại.[3] Xích lô cũng thành công không kém Mùi đu đủ xanh khi giành giải thưởng danh giá Sư tử vàng cho phim hay nhất tại Liên hoan phim Venezia 1995, ở tuổi 33, Anh Hùng trở thành một trong những đạo diễn trẻ nhất chiến thắng ở liên hoan phim này. Cả ba phim Hòn vọng phu, Mùi đu đủ xanh, và Xích lô đều được thực hiện bằng vốn tài trợ của Christophe Rossignon (hãng phim Lazenecs).[4]

Sau thành phố Hồ Chí Minh, Trần Anh Hùng chuyển sang miêu tả vẻ đẹp cổ kính của Hà Nội qua Mùa hè chiều thẳng đứng (À la verticale de l'été, 2000). Bộ phim là câu chuyện về ba chị em gái thần tượng cuộc sống gia đình của bố mẹ họ để rồi cuối cùng phát hiện ra sự thật sau cái chết của người mẹ. Các diễn viên thủ vai ba chị em gái là Như Quỳnh, Lê Khanh và Trần Nữ Yên Khê.

Năm 2008, sau 8 năm ngừng làm phim, Trần Anh Hùng quay trở lại bằng I Come with the Rain, bộ phim tiếng Anh đầu tiên của Anh Hùng. Đây là tác phẩm có sự góp mặt của nhiều diễn viên tên tuổi như Josh Hartnett, Lee Byung-hun, Kimura Takuya và Dư Văn Lạc. Giống như mọi tác phẩm khác, vai nữ chính của phim cũng được giao cho vợ Anh Hùng, Trần Nữ Yên Khê.[1] Và cũng trong năm 2008, Anh Hùng đã được mời đạo diễn chuyển thể điện ảnh của tiểu thuyết nổi tiếng Rừng Na Uy của nhà văn Murakami Haruki.[5]