Nata a Carpi (Modena) nel 1933, di famiglia operaia, si laurea in Lettere Antiche all'Università di Bologna. Nel 1960 si iscrive al Centro Sperimentale di Cinematografia; ottiene il diploma coi corti "Incontro notturno" (1961) e "L'evento" (1962). Vincitrice di un concorso Rai, realizza per la medesima diversi interessanti documentari, da "Storia del III Reich" (1962-63) a "La donna nella Resistenza" (1965). Il suo esordio nel lungometraggio avviene nel 1966 con "Francesco d'Assisi", prodotto dalla tv ed interpretato da un ottimo Lou Castel: girato in un periodo di fermenti politici, diverrà una sorta di manifesto del cattolicesimo del dissenso.
Il successivo "Galileo" (1968) si occupa del difficile rapporto fra intellettuali e potere, mentre l'intenso "I cannibali" (1969) propone una riflessione sui crimini perpetrati dall'autorità, prendendo spunto dalla "Antigone" di Sofocle. L'accoglienza del pubblico non è delle migliori, così la Cavani torna alla televisione per la serie di documentari "I bambini e noi" (1970).
Dopo la dolente storia di emarginazione de "L'ospite" (1971), la regista intraprende con "Milarepa" (1974) un suggestivo percorso nelle esperienze mistiche orientali. L'anno stesso firma il suo capolavoro con "Il portiere di notte" (1974), spregiudicata incursione nel nazismo attraverso l'ambiguo legame fra una ragazza ebrea ed il suo antico carceriere. Tre anni più tardi, meno interessante risulta l'analisi del rapporto fra Nietzsche e Lou Andreas Salomé in "Al di là del bene e del male"; più sottile e intrigante, per contro, la trasposizione della pagina malapartiana azzardata ne "La pelle" (1981), uno degli esiti suoi più significativi. L'infortunio di "Oltre la porta" (1983), confusa trama d'incesto collocata in un Marocco di maniera, prelude al maggiormente riuscito "Interno berlinese" (1985), ove si racconta la vicenda d'amore di due donne nel contesto nazista. Il ritorno al poverello d'Assisi di "Francesco" (1989) è convincente, grazie pure ad un'eccellente interpretazione di Mickey Rourke; mentre "Dove siete? Io sono qui" (1993) appare fragile, ed è di maniera la rilettura della Highsmith messa in atto con "Ripley's Game" (2002).
