Nascido em Maceió, Cacá Diegues é o segundo filho do antropólogo Manuel Diegues Júnior e de uma fazendeira. Aos 6 anos de idade, sua família mudou-se para o Rio de Janeiro e instalou-se em Botafogo, bairro onde passou toda a sua infância e adolescência.

Estudou no Colégio Santo Inácio, dirigido por jesuítas, até ingressar na Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio), onde fez o curso de Direito. Como presidente do Diretório Estudantil, fundou um cineclube, iniciando suas atividades de cineasta amador com David Neves e Arnaldo Jabor, entre outros. Ainda estudante, dirige o jornal O Metropolitano, órgão oficial da União Metropolitana de Estudantes e junta-se ao Centro Popular de Cultura, ligado à União Nacional dos Estudantes. Os grupos da PUC e de O Metropolitano formaram, a partir do final da década de 1950, um dos núcleos de fundação do Cinema Novo, do qual Diegues é um dos líderes, juntamente com Glauber Rocha, Leon Hirszman, Paulo Cesar Saraceni e Joaquim Pedro de Andrade. Em 1961, em colaboração com David Neves e Affonso Beato, realiza o curta-metragem Domingo, um dos filmes pioneiros do movimento.

Em 1962, no CPC, Diegues dirige seu primeiro filme profissional, em 35mm, Escola de samba, alegria de viver, episódio do longa-metragem Cinco vezes favela.

Em 1965 dirige para a Mapa Filmes A grande cidade.

Em 1969, após a promulgação do AI-5, Diegues deixa o Brasil, vivendo primeiro na Itália e depois na França. De volta ao Brasil, realiza os filmes Quando o carnaval chegar e Joanna Francesa. Em 1976, dirige Xica da Silva.

Numa fase crítica da economia cinematográfica do país, realiza dois filmes de baixo custo, Um trem para as estrelas e Dias melhores virão. Na mesma fase, realiza Veja esta canção. Entre seus sucessos que se seguiram, incluem-se Tieta do Agreste, Orfeu e Deus é brasileiro.

É oficial da Ordem das Artes e das Letras (l’Ordre de sArts et desLettres) da República Francesa. Também é membro da Cinemateca Francesa. O governo brasileiro também lhe concedeu o título de Comendador da Ordem de Mérito Cultural e a Medalha da Ordem de Rio Branco, a mais alta do país.

Em 30 de agosto de 2018, o cineasta foi eleito imortal da Academia Brasileira de Letras, na cadeira de nº 7, que já foi ocupada pelo escritor Euclides da Cunha e pelo fundador da ABL, Valentim Magalhães.