Se ha situado como uno de los más influyentes practicantes del arte cinematográfico. Nació en Roma y, después de estudiar en el Scuola Sperimentale, filmó dos cortos que le valieron el premio Cinta de Plata de la crítica cinematográfica italiana. En 1967 trabajó con Franco Rossy en Youth, Youth, que ganó otra Cinta de Plata. Le siguió el thriller de Darío Argento The Bird with the Crystal Plumage.

Otras de sus películas italianas incluyen dos largometrajes por el conocido Giuseppe Patroni-Griffi, Goodbye Cruel Brother (basada en una tragedia isabelina), Tis a Pity She's a Whore y The Driver's Seat, Giordano Bruno de Giuliano Montaldo, Walisia de Salvatori Sampieri y Footprints de Luigi Bazzoni.

Storaro ganó el premio de la crítica cinematográfica de Nueva York a la mejor fotografía con The Conformist, de Bertolucci, y recibió su primer Oscar en 1979 por su trabajo en Apocalypse Now de Francis Ford Coppola.

Fue honrado por la Academia en 1982 por su cinematografía en Reds, de Warren Beatty. Otras de sus películas son varias aclamadas películas de Bertolucci La Estrategia de la Araña, El Último Tango en Paris, 1900, Luna, Pequeño Buda, The Sheltering Sky y El Último Emperador. También filmó Tucker: The Man And His Dream para Francis Ford Coppola, y la parte correspondiente a Coppola de la trilogía Historias de Nueva York. Otros de sus créditos son One From the Heart, Ladyhawke, Ishtar, Agatha, Dick Tracy de Warren Beatty, Flamenco de Carlos Saura, Tango y Taxi.