Contemporain de la Nouvelle Vague, il s’attaqua au long métrage en signant Hiroshima mon amour (1959), qui s'imposa comme une autre œuvre charnière du cinéma français, à la fois par l'audace de son sujet (les traumatismes de la Seconde Guerre mondiale évoqués à travers une histoire d'amour) et la modernité de la narration.
Versé sur un style relativement expérimental, il n’oubliait pas pour autant de diffuser un message : l'histoire, la mémoire, l'engagement politique –lui-même était engagé à gauche-, l'intimité, la réalité de l'esprit, le rêve, le conditionnement socio-culturel, la mort, la mélancolie et l'art, comme en témoignèrent, l’abscons L'Année dernière à Marienbad, Muriel (1964), La Guerre est finie (1966) ou, plus tard, Providence (1977), etc.
En dépit de son image de cinéaste intellectuel, il s’essaya à la culture populaire : Stavisky (1974), à la science fiction : Je t'aime, je t'aime (1968), revisita le théâtre de boulevard : Mélo (1986), s'intéressa à la BD : I Want to Go Home (1989). Parfaite illustration du caractère à la fois ludique et cérébral de son cinéma, tourné vers des horizons éclectiques : Mon Oncle d'Amérique (1978).
Si à ses débuts il collaborait avec des auteurs d’une littérature ardue, il finit par s’entourer d’auteurs plus grand public capables de travailler sur des films moins hermétiques : Smoking / No Smoking (1993), ou encore : On connait la chanson (1997), son plus gros succès.
Son ultime réalisation, Aimer, boire et chanter (2014), conçu comme un vaudeville énergique, mélancolique et novateur, sortit quelques semaines après sa mort.
Cinéaste célébré, son œuvre fut gratifiée de nombreuses fois par plusieurs prix, dont quatre César, huit prix Méliès (distinction remise par le Syndicat français de la critique de cinéma), un Oscar, auxquels se rajoutèrent une multitude d’autres récompenses.
En présence de nombreuses personnalités du spectacle, dont ses acteurs fétiches, Alain Resnais fut inhumé au cimetière du Montparnasse où sa tombe se caractérise par une évidente sobriété.