Aronofsky a studiat film și antropologie socială la Universitatea Harvard înainte de a studia regia la AFI Conservatory. După ce a finalizat filmul său de diplomă, Supermarket Sweep, a câștigat mai multe premii de film, devenind finalist la National Student Academy Award. În 1997, a fondat compania de producție de film și televiziune Protozoa Pictures. Debutul său în lungmetraj, thrillerul psihologic suprarealist Pi (1998), i-a adus Premiul pentru Regie la Sundance Film Festival și un Premiu Independent Spirit pentru Cel Mai Bun Scenariu Debut.
Aronofsky a regizat apoi drama psihologică Requiem for a Dream (2000), drama romantică de fantezie științifico-fantastică The Fountain (2006) și drama sportivă The Wrestler (2008), aceasta din urmă câștigând Leul de Aur la Festivalul de Film de la Veneția. A regizat drama psihologică Black Swan (2010), câștigând Premiul pentru Cel Mai Bun Regizor. Filmele sale ulterioare includ epopeea biblică Noah (2014), filmul de groază psihologică Mother! (2017) și drama The Whale (2022). Filmul lui Aronofsky, Postcard from Earth (2023), a fost produs și filmat exclusiv pentru Sphere în Valea Las Vegas pe ecranul său cu rezoluție de 16K.