Mit der Unterstützung seiner Familie gelang es ihm, 1960 seinen ersten Spielfilm "Le propre de l'homme" herzustellen. Er wurde nie in die Kinos gebracht, und Lelouch selbst zerstörte die Kopien. Der kommerzielle Erfolg ließ auch bei den nächsten Projekten auf sich warten. Ein Film kam nur in Schweden heraus, ein anderer gar nicht, ein dritter fiel der Zensur zum Opfer. Lelouch verdiente sein Geld mit Kurzfilmen und Werbespots, bis ihm 1966 mit "Ein Mann und eine Frau" der Durchbruch gelang. Die Liebesgeschichte zwischen einem Rennfahrer (Jean-Louis Trintignant) und einem Scriptgirl (Anouk Aimée) war der französische Überraschungserfolg des Jahres. Beim Filmfestival in Cannes gewann er den Großen Preis und ergatterte obendrein zwei Oscars für den besten fremdsprachigen Film und das beste Originaldrehbuch. Zwanzig Jahre später drehte er eine Fortsetzung seines größten Erfolgs unter dem Titel: "Ein Mann und eine Frau - 20 Jahre später".
Ein ähnlich großer Erfolg wie "Ein Mann und eine Frau" wurde 1967 "Lebe das Leben" mit Yves Montand und Annie Girardot. Danach entstanden Filme wie "Voyou - Der Gauner" (1970), "Die Entführer lassen grüßen" (1972), "Ein glückliches Jahr" (1973), "Ein ganzes Leben" (1974), "Eine Katze jagt die Maus" (1975), "Ein anderer Mann, eine andere Frau" (1977), "Allein zu zweit" (1978), "Viva la vie - Es lebe das Leben" (1984), "Zeit des Verbrechens" (1987), "So sind die Tage und der Mond" (1990) und "Les miserables" (1995).
Er schreibt und produziert seine Filme mit seiner Firma "Les Films 13" in der Regel selbst, und er arbeitet, wie ein Blick auf seine Filmographie zeigt, am liebsten immer mit denselben Schauspielern. Sie umgeben ihn wie eine Familie. In zweiter Ehe ist er mit der Schauspielerin Marie-Sophie Berthier verheiratet, die seit Mitte der Achtziger Jahre auch regelmäßig in seinen Filmen auftritt. Für seinen Film "Männer und Frauen - Eine Gebrauchsanleitung" von 1996 gelang es Lelouch, den Finanzmogul Bernard Tapie (Ex-Besitzer von 44 Unternehmen, einer Reformhauskette, einer Batteriefabrik bis hin zu einer Modefirma, Ex-Präsident des Fußballvereins "Olympic Marseille" und Ex-Aufkäufer von "Adidas") als Hauptdarsteller zu gewinnen.
Weitere Filme von Claude Lelouch: "München 1972" (1973), "Ein Hauch von Zärtlichkeit" (1976), "Die schönste Geschichte der Welt" (1991), "Alles für die Liebe" (1993), "Begegnung in Venedig" (1998), "Une pour toutes" (1999), eine Episode zu "11'09''01 - September 11" (2002) und "And Now ... Ladies and Gentlemen" (2002).