עמוס גיתאי נולד ב-1950 בחיפה. בצעירותו יעד עצמו לתחום הארכיטקטורה, בהשפעת אביו, ארכיטקט הבאוהאוס מוניו וינרויב. הוא החל את לימודיו בטכניון בחיפה והשלים תואר שלישי באוניברסיטת ברקלי בקליפורניה. במקביל ללימודיו, ובעקבות פציעתו במלחמת יום כיפור, החל להתנסות בתחום הקולנוע שבו ראה מכשיר המאפשר תגובה ישירה על המציאות  ("הארכיטקטורה היא תחום מופשט מדי מבחינה זאת", הוא אמר).

בשנות השבעים, גיתאי מביים שורה של סרטים דוקומנטריים ב-8 וב-16 מ"מ בנושאים פוליטיים וחברתיים (למשל, על מאורעות ואדי סאליב בשנות החמישים). לקראת סוף העשור, הוא מביים במסגרת הטלוויזיה הישראלית את בית (1980), סרט החוקר את אילן היוחסין של בית בירושלים העובר משך מספר דורות מידי בעלים פלשסטינאים ליהודים. עד 1948 היה הבית שייך לרופא פלסטיני, ואז הופקע על ידי ממשלת ישראל ששיכנה בו זוג עולים מאלג'יר, עד שנרכש על ידי פרופסור מהאוניברסיטה העברית שהחליט לשפצו. העבודות נעשות על ידי פועלים פלסטינים לפי תכנונו של ארכיטקט ישראלי. כמו ברבים מסרטיו הדוקומנטריים והעלילתיים, נקודת  המוצא של עמוס גיתאי היא המקום הגיאוגרפי, הנחשף לאורך הסרט כמקום היסטורי ובאופן בלתי נמנע גם כמקום פוליטי וחברתי.

גישה דומה אימץ גיתאי גם בסרטו הבא, [[ואדי]] (1981), המתמקד בואדי רושמיה בחיפה. בתקופת המנדט, שימש הואדי כמחצבה, וניטש לאחר מכן. למן שנת 1948, החלו להתיישב במקום ניצולי שואה, ערבים שביתם הוחרם, עולים מצפון אפריקה ומברה"מ, ואוכלוסיות מגוונות אחרות. מדובר ב"אחרים" של החברה הישראלית,  אלו שמהם השיח הרשמי נטה להתעלם, בעיקר מסיבות פוליטיות. בכורח הנסיבות, נוצרו בואדי יחסי שכנות ואהבה המאפילים באנושיותם על אטימותו של הממסד.

גיתאי בחר לחזור אל המקומות בהם צולמו סרטיו הראשונים כדי לעמוד על השינויים הפיזיים שחלו בהם ובנוף האנושי המאכלס אותם. הוא חוזר לבית בירושלים ב-1998 ולואדי רושמיה בחיפה ב-1991 ושוב ב-2001: השינויים עליהם עומד גיתאי אינם מנותקים, כמובן, מהאירועים הפוליטיים המרכזיים של התקופה, המשפיעים על חיי האנשים במקום, המנותקים מהשיח הציבורי הדומיננטי בישראל.

בסרטו הדוקומנטרי הבא, [[יומן שדה]] (1982), בוחר גיתאי לתעד את נוכחות הצבא הישראלי בגדה המערבית וברצועת עזה לפני ובזמן מלחמת לבנון. הוא מראיין את תושבי המקום הפלסטינים ואת חיילי צה"ל. מצלמתו הופכת לנשק  חתרני המבצע דקונסטרוקציה לשיח הנורמטיבי אותו מייצאת המדיה ביחס לכיבוש. המצלמה אינה מנסה להסתיר את קיומה ולייצג עמדה אובייקטיבית לכאורה, אלא מצהירה על נוכחותה, מתעקשת להמשיך לתעד גם בניגוד להוראות "רשמיות", ובאופן בלתי נמנע גם מבטאת עמדה. ראייתו הפוליטית של גיתאי מצטיירת היום, כעשרים שנה אחרי צילומי הסרט, אקטואלית מתמיד.

בעקבות סירובה של הטלוויזיה הישראלית להקרין את הסרט בית, עוזב גיתאי את ישראל ומשתקע בצרפת. הוא ממשיך לביים סרטים דוקומנטריים בעלי אורינטציה פוליטית, ובמקביל עושה את צעדיו הראשונים בתחום הקולנוע העלילתי, תוך התמקדות במחקר של מיתוסים פוליטיים ותרבותיים. הוא מביים את "טרילוגיית הגלות": שלושה סרטים הנשענים על מקורות תנכ'יים וקבליים באמצעותם הוא מתמודד עם שאלות הנוגעות למציאות היהודית והישראלית בהווה: אסתר (1986), [[ברלין-ירושלים]] (1989) וגולם, רוח הגלות (1992).

הסרט הפותח את הטרילוגיה, אסתר (1986), עיבוד למגילת אסתר, מהווה מטאפורה פוליטית לסכסוך הישראלי-פלסטיני והרהור נוקב בנושא "המדוכא ההופך למדכא". הסרט שם את הדגש לא רק על הצלת היהודים מידי צורריהם על ידי אסתר ומרדכי, אלא גם על נקמת היהודים באויביהם, מוטיב המודחק בדרך כלל מהזיכרון הקולקטיבי הישראלי. סיפור גלות זה, המתרחש במקור במאה החמישית לפנה"ס בממלכת אחשוורוש בפרס, צולם על ידי גיתאי בישראל של אמצע שנות השמונים (בהריסות ואדי סאליב בחיפה), כשהתפקידים המרכזיים בו מגולמים על ידי יהודים וערבים כאחת. המטאפורה הפוליטית מועמקת בסצינה האחרונה בסרט במהלכה נוטשים השחקנים את דמותם הפיקטיבית וחושפים, תוך מבט ישיר אל המצלמה, את הביוגרפיה האישית שלהם: המיתוס התנ"כי מעומת אז עם שורה של סיפורים אנושיים המעוצבים כולם בידי הקונפליקט ההיסטורי.

ב-1993 שב עמוס גיתאי להתגורר בישראל, תוך שהוא שומר על קשר עם מפיקיו הצרפתיים (גופים שונים בצרפת מהווים עד היום את המממנים העיקריים של סרטיו). בישראל מתחיל גיתאי ליצור טרילוגיה המעידה שוב על רגישותו למקום הגיאוגרפי: "הטרילוגיה האורבנית", המוקדשת לשלוש הערים הגדולות בישראל. הסרט הפותח את הטרילוגיה הוא [[דברים]] (1995), עיבוד חופשי לרומן החשוב של יעקב שבתאי, זיכרון דברים, המתרחש בתל-אביב. הסרט מצייר עיר ים-תיכונית טיפוסית – מאובקת, דינמית, חומרנית – ומתמקד בשלושה גברים, צברים ישראלים כבני כארבעים, החיים בתחושת החמצה. המשבר העובר עליהם הוא במידה רבה משבר של דור שלם – זה של בני ונכדי דור המייסדים שאינם מסוגלים להיאחז עוד במיתוסים ובמערכת הערכים החלוציים. תחושות הריק הקיומי בסרט מעוצבות לא רק ברמת הנרטיב והדיאלוגים, אלא גם בעבודת המצלמה של רנטו ברטה, המתמקדת בארכיטקטורה המתפוררת של תל-אביב הקופחת תחת השמש הלוהטת.

החלק השלישי בטרילוגיה, קדוש (1999), מתרחש ברובע החרדי מאה שערים בירושלים. הוא מתמקד בדמויותיהן של שתי אחיות צעירות וביחסיהן עם בני זוגן. האחת נדחפת על ידי סביבתה החרדית להתחתן עם גבר שאותו לא בחרה ושאינה אוהבת, והשניה, הנשואה לגבר אליו היא קשורה עמוקות, נאלצת בהוראת הרב להתגרש, שכן הזוג אינו יכול להביא ילדים. זהו כתב אישום חריף נגד חברה פטריארכאלית ודכאנית, שבשם חוקים רבניים ארכאיים מתערבת בחיי הזוגיות של מאמיניה, תוך כדי הפיכת האישה למי שמשלמת את המחיר הגדול ביותר. קדוש מצולם כמעט כולו בחללים פנימיים דחוסים, ונשען על שוטים ארוכים ואיטיים המעבירים בעוצמה את הממד הריטואלי שבחיים הדתיים כמו גם את תחושת החנק העוטפת את הדמויות המרכזיות.

הסרט האמצעי בטרילוגיה, יום יום (1998), מתרחש בעיר הולדתו של גיתאי, חיפה, המוצגת כאופציה המגשרת, גיאוגרפית ופוליטית, בין תל-אביב לירושלים. עיר זו, הממוקמת בין הים (תל-אביב) להר (ירושלים), מתרחקת הן מהחומרנות הקיצונית המאפיינת את תל-אביב והן מהמורשת הדתית של ירושלים. חיפה, עיר חילונית בעלת מסורת סוציאליסטית, מייצגת מבחינת גיתאי את האפשרות לנורמליות ישראלית: בהפנותה את פניה מ"ההמולה" הכלכלית והפוליטית המאפיינת את תל-אביב וירושלים, היא יכולה גם לשמש דוגמה לדו-קיום בין יהודים לערבים (הזוג העומד במרכז הסרט הוא זוג מעורב).

מיתוס נוסף אליו מתייחס גיתאי הוא זה של "הישראלי הלוחם". בכיפור (2000), הוא מספר את סיפורו האישי ממלחמת 1973: גיתאי הצטרף אז ליחידת הצלה שפעלה מעבר לגבול הסורי, שבאחת ממשימותיה נפגע ההליקופטר בו נסע מטיל סורי והתרסק. גיתאי מפשיט את המלחמה מכל מרכיב ספקטקולרי או הרואי (שהיו כה נוכחים בסרטי המלחמה של הקולנוע הציוני בשנות החמישים, למשל). כיפור מתאר לפרטיו את היום-יום המפרך של החיילים הצעירים, ובהיצמדו באופן שיטתי לנקודת מבטם, בונה תמונה של המלחמה כחוויה פיזית קשה של פחד, חרדה, של גופות מיוזעים ועייפים, של פציעה ושל מוות. בלא שיכפה על הצופה נקודת מבט פוליטית, מצליח גיתאי להעביר בעוצמה את תחושות ההפתעה והטראומה שליוו את מלחמת יום כיפור, ושקטעו את האופוריה והיוהרה שקיננו בחברה הישראלית מאז מלחמת ששת הימים.

בשנים האחרונות, מתמקד הקולנוע של גיתאי בביוגרפיה המשפחתית שלו וההקשר שלה למקום הישראלי תוך שהוא נשען על ז'אנר חדש, המסה הקולנועית, המערב מוטיבים דוקומנטריים, עלילתיים והגותיים. כך ב[[כרמל]] (2009) המבוסס על מכתבי אימו אפרתיה, חלוצה וחברת קיבוץ, וכך בשיר ערש לאבי (2012), המוקדש לאביו הארכיטקט מוניו גיתאי, שעזב את גרמניה עם עליית הנאצים לשלטון

למעשה, המוטיב המאחד רבים מסרטיו של גיתאי, דוקומנטריים ועלילתיים כאחת, הוא העימות בין הקיום האישי, האינטימי של האדם, להשתייכותו הקולקטיבית והפוליטית. תימה זאת עוברת כחוט השני מהיצירות המוקדמות כמו בית וואדי, ועד סרטו האחרון עד כה, [[אנא ערבייה]] (2013), שצולם כולו בשוט אחד והמתרכז במובלעת גיאוגרפית בפרברי יפו כמשקפת של תהליכים היסטוריים. סרטיו של עמוס גיתאי מבטאים את  הטרגדיה של מקום בו הפרט מובס על ידי על ידי אירועים גדולים ממנו שעליהם אין לו שליטה, מקום בו האדם הוא במידה רבה קורבנה של ההיסטוריה. זוהי עדות לעוצמת השייכות ומידת הרלוונטיות של הקולנוע של גיתאי לחברה הישראלית