Comenzó a trabajar en el cine a partir de 1951, año en el que se estrenó su primer proyecto, el cortometraje documental Day of the Fight,²​ que fue comprado por RKO Pictures, dándole a Kubrick un pequeño beneficio económico. Esta compañía también le adelantó dinero para su siguiente trabajo, un documental de nueve minutos llamado Flying Padre.³​ Tras realizar varias cintas, se estrenó Paths of Glory, un film antibelicista que hasta el día de hoy es considerado uno de los mejores del director.⁴​

A continuación de ese filme dirigió su primera película de alto presupuesto, Espartaco, que fue galardonada con cuatro Premios Óscar y elevó la carrera de Kubrick a un mayor nivel.⁵​ Tras el éxito que cosechó la cinta —incluyendo un Globo de Oro a la mejor película dramática—, Kubrick tuvo la oportunidad de dedicarse a otro proyecto, Lolita de 1962.⁶​ El largometraje protagonizada por Sue Lyon y James Mason recibió críticas mixtas, pero causó controversia debido al contenido relacionado con la hebefilia. Sin embargo fue nominado como mejor director en los Globos de Oro y en el festival de Venecia en 1962,.⁷​ Dos años después dirigió Dr. Strangelove, por la cual fue candidato a varios galardones, entre ellos varios BAFTA y su primera nominación al Óscar, en las categorías Mejor director y guion adaptado.⁸​

En 1968 alcanzó la cumbre de su carrera con 2001: A Space Odyssey, film de ciencia ficción con el que ganó su único Óscar a título personal, por el diseño de efectos especiales.⁹​¹⁰​ Además, la película es considerada como una de las mejores de la historia dentro de su género.¹¹​ Posteriormente, Kubrick dirigió La naranja mecánica, una de las cintas más polémicas de la historia, más que nada por su alto nivel de censura.¹²​ Esta es una adaptación de la novela homónima de Anthony Burgess que muestra al personaje Alex DeLarge —interpretado por Malcolm McDowell—, un delincuente sociópata y carismático, cuyos placeres son la música clásica, la violación y la llamada ultraviolencia. El largometraje causó controversia en varios países, entre ellos Reino Unido; por esto Kubrick pidió a Warner Bros que se lo retirara del Reino Unido, pues en un momento dado se encontró bajo mucha presión, llegando incluso a recibir amenazas de muerte para él y su familia.¹³​ Además, La naranja mecánica fue candidata a cuatro premios Óscar y Kubrick fue candidato a este galardón, al Globo de Oro y al BAFTA por su dirección y guion.¹⁴​

Posteriormente dirigió Barry Lyndon de 1975, ganadora de cuatro Óscar; Kubrick perdió como Mejor director ante Miloš Forman por One Flew Over the Cuckoo's Nest con Jack Nicholson. Este actor protagonizó la siguiente película de Kubrick, El resplandor, basada en la novela de Stephen King. Luego de la realización del film, King comentó que le desagradó la versión de Kubrick.¹⁵​ Asimismo, dirigió Full Metal Jacket (1987) y Eyes Wide Shut (1999).

De sus trece películas, se encuentran clásicos del cine como Paths of Glory (1957), Espartaco (1960), Lolita (1962), Dr. Strangelove or: How I Learned to Stop Worrying and Love the Bomb (1964), 2001: A Space Odyssey(1968), La naranja mecánica (1971), Barry Lyndon (1975), El resplandor (1980), Full Metal Jacket (1987) o Eyes Wide Shut (1999).