Karierę rozpoczął od filmów krótkometrażowych. Nakręcony w 1948 dwudziestominutowy Van Gogh otrzymał Oscara w 1950. W 1952 otrzymał specjalną nagrodę Złotego Globu. W 1955 nakręcił głośny dokumentalny film Noc i mgła poświęcony wyzwoleniu niemieckich obozów koncentracyjnych. Jego pełnometrażowy debiut Hiroszima, moja miłość przyniósł nominację do Oscara za najlepszy scenariusz oryginalny dla Marguerite Duras w 1961, w atmosferze skandalu został wycofany z Festiwalu w Cannes (temat wojny atomowej uznano za zbyt drażliwy, nie chciano także prowokować protestów amerykańskich) i jest uważany za początek tzw. nowej fali.
W 1977 Resnais nakręcił swój pierwszy film po angielsku - Opatrzność i w tym samym roku otrzymał nagrodę Cezara za najlepszą reżyserię, a sam film zdobył jeszcze sześć Cezarów (jako najlepszy film, za montaż (Albert Jurgenson), muzykę (Miklós Rózsa), scenografię (Jacques Saulnier), dźwięk (René Magnol i Jacques Maumont) i scenariusz (David Mercer)).
W 1998 otrzymał kolejnego Srebrnego Niedźwiedzia za film Znamy tę piosenkę (film ten otrzymał także siedem Cezarów - jako najlepszy film, za najlepszy scenariusz oryginalny (Jean-Pierre Bacri i Agnès Jaoui), najlepszą rolę męską (André Dussollier), najlepsze drugoplanowe role męską (Jean-Pierre Bacri) i żeńską (Agnès Jaoui), montaż (Hervé de Luze) i dźwięk (Pierre Lenoir, Jean-Pierre Laforce i Michel Klochendler)), w 2006 Srebrnego Lwa, a w 2007 nagrodę Prix FIPRESCI za reżyserię filmu Prywatne lęki w miejscach publicznych (grająca w filmie Laura Morante otrzymała na festiwalu w Wenecji nagrodę Pasinettiego). Ponadto otrzymał Nagrodę Specjalną na 62. MFF w Cannes w 2009 oraz Nagrodę im. Alfreda Bauera za innowacyjność na 64. MFF w Berlinie w 2014. Na tym ostatnim festiwalu premierę miał jego ostatni film Życie Rileya.