Fils du diplomate et écrivain Mirosław Żuławski (1913-1995), attaché culturel à l'ambassade de Pologne à Paris, puis ambassadeur auprès de l'UNESCO pendant une partie de son enfance et de sa jeunesse, il effectue plusieurs années de sa scolarité en France. Après avoir étudié à l'IDHEC de 1957 à 1959, Żuławski revient en Pologne pour devenir assistant d’Andrzej Wajda de 1960 à 1966. Il étudie entre-temps la philosophie à l'université de Varsovie et les sciences politiques à La Sorbonne. À cette époque, il publie des textes sur le cinéma, ainsi que ses propres poèmes. Il débute en 1967 avec un moyen métrage pour la télévision, intitulé Pieśń triumfującej miłości (Le Chant de l’amour triomphant) (pour lequel il a reçu le diplôme d’honneur de la Los Angeles Academy of Television Arts and Sciences en 1968), et réalise en 1971 son premier long métrage Trzecia część nocy (Troisième partie de la nuit), qui remporte nombre de prix internationaux. Le réalisateur décide ensuite de travailler en France après avoir rencontré des problèmes avec Le Diable (interdit par la censure polonaise en raison de la violence et de la cruauté de certaines scènes).

En 1971, il a un fils, Xawery Żuławski avec l'actrice Małgorzata Braunek.

En 1974, il co-adapte et réalise L'important c'est d'aimer, tiré du roman de Christopher Frank, La Nuit américaine. Le succès de ce film – on se souvient tout particulièrement des rôles de Romy Schneider et de Jacques Dutronc – lui permet de retourner en Pologne. Pendant deux ans, 1976 et 1977, il tourne un film de science-fiction adapté de l'œuvre de son grand-oncle, Jerzy Żuławski, Le Globe d'argent. Le tournage de ce film est arrêté par les autorités polonaises neuf jours avant la fin. Ce film n’a vu le jour qu’en 1987, où le montage final et la fin proche de la censure lui ont permis de sortir dans quelques salles.

En 1978, il a un second fils prénommé Ignacy.

Reprenant un scénario écrit en 1978, il parvient à tourner, à Berlin une coproduction franco-allemande, Possession, crise conjugale entre un agent secret et une femme possédée par une force étrange. Présenté à Cannes, Possession vaut à Isabelle Adjani le prix d'interprétation féminine.

Le tournage de L'Amour braque (une adaptation libre de l’Idiot de Dostoïevski) est pour Żuławski particulièrement important : il y rencontre Sophie Marceau, qui devient par la suite sa compagne et qu'il dirige dans Mes nuits sont plus belles que vos jours, d'après le best-seller de Raphaële Billetdoux, puis dans La Note bleue et, plus tard, dans La Fidélité. Outre le cinéma, Żuławski travaille également pour le théâtre. Il a été nommé chevalier de l’ordre des Arts et des Lettres en 1996.

Il vit avec Sophie Marceau, de vingt-six ans sa cadette, durant 17 ans sans jamais se marier, à la suite d'une invitation sur un plateau télévisé de Claude Pinoteau en 1981, lors du festival de Cannes, et à leur rencontre à l'hôtel Majestic. De cette union naît un fils, Vincent, le 24 juillet 1995. Andrzej Żuławski et Sophie Marceau se séparent en 2001. Żuławski consacre deux livres à la description de sa rupture avec l’actrice française (O niej et L’Infidélité).

Il meurt le 17 février 2016 à l'hôpital de Varsovie des suites d'un cancer à l'âge de 75 ans. Ses obsèques ont lieu le 22 février 2016 à Góra Kalwaria, où il est inhumé.