Membro de uma família ligada ao cinema: seus pais, Lucy e Luiz Carlos Barreto, são produtores, e seu irmão Fábio é diretor.
Adaptou várias obras literárias, estreou com a pequena produção Tati, a garota (1973), extraída do texto de Aníbal Machado. Com A estrela sobe (1974), baseado no romance de Marques Rebelo, realizou um filme de época. Conquistou grande sucesso de público e de crítica com Dona Flor e seus dois maridos (1976), adaptado do romance de Jorge Amado. Realizou o drama policial Amor bandido (1979), baseado em argumento próprio. Filmou nova adaptação da peça de Nelson Rodrigues, O beijo no asfalto (1984), e de outro romance de Jorge Amado, Gabriela, cravo e canela (1983), que foi seu primeiro filme norte-americano, e dirigiu os dramas românticos Além da paixão (1986) e O romance da empregada (1988). Dirigiu novo filme norte-americano, o drama político Assassinato sob duas bandeiras (1990). Fez para a televisão norte-americana o telefilme Heart of justice (1993).
Embarcando definitivamente em uma carreira internacional, alternou a feitura de filmes estrangeiros e nacionais. Dirigiu, nos Estados Unidos, o drama romântico Atos de amor (1995) e, no Brasil, adaptou o best-seller de Fernando Gabeira, O que é isso companheiro? (1997). Nos Estados Unidos, fez o drama policial One tough cop (1998). Adaptou o conto Senhorita Simpson, de Sérgio Sant’Anna, para o filme romântico Bossa-Nova (2000). Na sequência, investiu em comédias: Voando alto (2003), O casamento de Romeu e Julieta (2005) e Caixa Dois (2007). Voltou ao drama com Última parada 174 (2008) e Flores raras (2013), sobre o romance entre a poeta norte-americana Elisabeth Bishop e a arquiteta brasileira Lota de Macedo Soares. Em 2013 dirigiu a comédia Cro: o filme.