Nato a Roma nel 1940, ha cominciato a studiare fotografia a soli undici anni. Il suo esordio come direttore della fotografia è avvenuto nel 1969. Da allora, nel corso di una carriera destinata a durare più di cinquant’anni, ha collaborato con registi del calibro di Bernardo Bertolucci (Strategia del ragno, Il conformista, Novecento, La luna, Piccolo Buddha), Dario Argento (L’uccello dalle piume di cristallo), Warren Beatty (Dick Tracy, per il quale è stato nominato all’Oscar per la migliore fotografia) e Woody Allen (Café Society, Un giorno di pioggia a New York). Nel 1980 ha vinto un premio Oscar per Apocalypse Now, diretto da Francis Ford Coppola, seguito da Reds di Warren Beatty (1981) e L’ultimo imperatore di Bernardo Bertolucci (1987), per i quali è stato anche nominato a tre BAFTA, poi vinto nel 1991 per Il tè nel deserto di Bertolucci. È stato poi premiato con numerosi Nastri d’Argento, un premio Goya e un Globo d’oro. Nel 2002 gli è stato consegnato il premio Flaiano alla carriera, confermato poi con un premio per la migliore fotografia nel 2018 per La ruota delle meraviglie di Woody Allen. Ha ricevuto anche quattro lauree honoris causa dall'Università di Łódź, dalle Accademie di Belle Arti di Macerata e Brera e dalla facoltà di sociologia dell'Università di Urbino.