Frequenta il Centro Sperimentale di Cinematografia dove si diploma con due cortometraggi dedicati al tema del razzismo. Approda in RAI per conto della quale realizza, fino al 1965, una serie di documentari tematici. Nel 1966 firma il suo lungometraggio d'esordio 'Francesco d'Assisi', applaudito alla Mostra del cinema di Venezia e giunto nelle sale solo tre anni dopo. 'Galileo', subisce invece una sorta di censura dai dirigenti della tv. Dopo 'I cannibali' (1969), gira 'L'ospite' (1971) e 'Milarepa' (1974). Nel 1974 firma per il grande schermo 'Il portiere di notte'. Tre anni dopo è la volta di 'Al di là del bene e del male' mentre nel 1981 è la volta de 'La pelle', tratto dal romanzo omonimo di Curzio Malaparte. Nel 1989 torna sulla storia di Francesco d'Assisi con 'Francesco', con Mickey Rourke. Nel 2002 ha diretto 'Il gioco di Ripley', tratto dal romanzo di Patricia Highsmith. Oltre che al cinema e in tv la Cavani è attiva anche in teatro.