Дрейер — внебрачный ребёнок датского фермера и батрачки из Скании. Мать погибла, пытаясь совершить аборт. После нескольких лет жизни в приютах усыновлён строгой лютеранской семьёй Дрейеров.
В 18 лет Дрейер с отличием заканчивает классическую гимназию и, оставив приемых родителей, начинает зарабатывать на жизнь журналистикой. Преимущественно сотрудничает с либеральным изданием «Политикен».
В 1912-19 гг. Дрейер находит работу на киностудии «Нордиск» в качестве сценариста и редактора титров. В эти годы по его сценариям было снято 22 фильма.
Первым самостоятельным фильмом Дрейера была экранизация романа Францоза «Президент» о матери-детоубийце (налицо перекличка с судьбой матери самого режиссёра). Однако зрители первыми увидели «Страницы из книги сатаны ()» — четыре короткометражных рассказа, скомпонованные наподобие «Нетерпимости» Гриффита.
В 1920-е гг. Дрейер становится международным режиссёром — он снимает в Швеции, Германии, Норвегии, Франции — тех странах, где находит финансирование для очередного кинопроекта. Среди работ этого времени — одна из первых кинолент на гомосексуальную тематику, «Михаэль».
В 1927 г. Дрейером создана одна из вершин немого кинематографа — потрясшая зрителей своей бескомпромиссной реалистичностью картина «Страсти Жанны д’Арк». Эйзенштейн назвал её «одной из прекраснейших» за всю историю кинематографа. Основой режиссёрского стиля Дрейера становится крупный план, позволяющий передать динамику психологического состояния персонажа в малейших нюансах.
В годы «великой депрессии» скандинавское кино погружается в кризис, а Дрейер возвращается к журналистике, пишет теоретические статьи, которые много лет спустя составят книгу «О кино». В 1931 г. в Берлине он снимает первый звуковой фильм «Вампир», который по многим параметрам примыкает к немецкому экспрессионизму. Этот радикальный эксперимент в области пугающей сюрреалистической образности, признанный впоследствии классикой, в своё время обескуражил как зрителей, так и кинокритиков.
Разочарование в зрителях, скрупулёзность подхода к материалу и хроническое отсутствие финансирования — причины, по которым за оставшуюся часть жизни Дрейер снял всего три фильма. Их отличают сверхдлинные планы, тщательная простроенность всех мизансцен, контрастность монохрома.
«День гнева» (1943) — рассказ о средневековой охоте на ведьм в Норвегии — воспринимался современниками как аллегорическое высказывание по поводу фашистской оккупации Европы (хотя Дрейер отрицал, что это входило в его намерения). Следующий фильм, «Два человека», был снят в Швеции и не вошёл в дрейеровский канон: режиссёр убрал своё имя из титров. В послевоенные годы он работает над короткометражной документалистикой на средства из государственного бюджета.
Торжественно-медлительный темп, который смутил зрителей «Дня гнева», был положен в основу следующего полноценного фильма Дрейера — «Слово». Премьера эта ленты на Венецианском кинофестивале 1955 года и присуждение ей «Золотого льва» вызвали огромный международный резонанс. Датское правительство передало в распоряжение Дрейера столичный кинотеатр «Дагмар», на доходы от которого режиссёр, теперь признанный «живым классиком», снял свой последний фильм «Гертруда» (1964).
Дрейер умер от пневмонии во время активной подготовки к съёмкам давно задуманного фильма о жизни Христа. Другим его неосуществлённым проектом осталась экранизация романа «Доктор Живаго».