Realizó estudios de música (1943-48), que simultaneó durante algún tiempo (1946-51) con los de derecho en la Universidad de La Habana, donde presidió el Comité por la Paz de la Escuela de Derecho, fue secretario del Comité Organizador del III Festival de la Juventud y los Estudiantes y colaboró en la revista estudiantil Saeta. Trabajó durante algún tiempo en una agencia de marcas y patentes de su padre. Comenzó su carrera cinematográfica en 1947 con la filmación de dos cortos humorísticos, a los que siguieron documentales inconclusos por encargo del Partido Socialista Popular. En 1950 realizó el cortometraje Una confusión cotidiana, basado en el relato homónimo de Kafka. Ese mismo año publicó en una pequeña imprenta que tenía en su casa Elegía como un himno, de Roberto Fernández Retamar. Entre 1951 y 1953 estudió en el Centro Sperimentale di Cinematografia de Roma, formó parte de la Asociazzione Latinoamericana, colaboró en su boletín Voci dell'America Latina, asistió al Congreso de la Unión Internacional de Estudiantes celebrado en Bucarest, visitó París y varias provincias españolas. De regreso en Cuba, se integró a la Sociedad Cultural Nuestro Tiempo, colaboró en el cine-club y en la revista homónima de dicha institución. En 1955 dirigió, en colaboración con Julio García Espinosa el mediometraje El Mégano que fue secuestrado por la policía batistiana. En la empresa de publicidad Cine-Revista, donde llegó a ser director técnico de producción, se relacionó con Onelio Jorge Cardoso, José Tabío y filmó el documental La toma de La Habana por los ingleses (1958). Publicó dibujos humorísticos en la revista Actualidades Criollas y colaboró en el Mensuario de arte, historia literatura y crítica, Inventario y Nuestro Tiempo. Al triunfar la Revolución en 1959 organizó la Sección de Cine de la Dirección de Cultura del Ejército Rebelde junto con Julio García Espinosa, con quien dirigió el documental Esta tierra nuestra. Participó después en la fundación del Instituto Cubano del Arte e Industria Cinematográficos y formó parte de su consejo de dirección hasta 1961, año en que asistió como fundador de la Unión Nacional de Escritores y Artistas de Cuba a su Primer Congreso y participó como corresponsal en Playa Girón, fruto de lo cual fue el corto Muerte al invasor (1961). Dibujos humorísticos suyos fueron publicados en Carteles y El Pitirre. Perteneció al Consejo de Redacción de La Gaceta de Cuba (hasta 1964). Algunos de sus filmes han obtenido importantes reconocimientos internacionales, entre ellos Historias de la Revolución (1960), Cumbite (1964), La muerte de un burócrata (1966), Memorias del subdesarrollo (1968), La última cena (1976), Los sobrevivientes (1976) y Hasta cierto punto (1983). Cuentan además en su filmografía Las doce sillas (1962) y Una pelea cubana contra los demonios (1971). Ha participado en las Primeras semanas de cine cubano en Checoslovaquia, Venezuela, España, Australia y Canadá. Además ha visitado la India, Puerto Rico, Nicaragua y la República Democrática Alemana. Su libro Dialéctica del espectador obtuvo el Premio de la Crítica en 1982 y fue traducido al inglés, al italiano y al portugués. Le han sido conferidas la Distinción Por la Cultura Nacional (1981) y las Medallas Victoria de Girón y Combatiente de la lucha clandestina (ambas en 1982).

• Su libro Dialéctica del espectador obtuvo el Premio de la Crítica en 1982.

• Reflejos, Poesía, 63 pp, 1949.
• Las doce sillas, Teatro, 114 pp, 1963.
• Dialéctica del espectador, Crítica y ensayo, 74 pp, 1982.
  
• Tomás Gutiérrez Alea; los filmes que no filmé, Entrevista, 203 pp, 1989.

• Céspedes García-Menocal, Carlos M. de: "Titón", (Pinar del Río), mayo-junio'96.
• Chávez, Rebeca: "Tomás Gutiérrez Alea", Gaceta de Cuba, p. 8-11, septiembre-octubre'93.
• González López, Waldo: "Titón dialéctico", Revolución y Cultura, p. 72-73, septiembre'84.
• Ruffinelli, Jorge: "Doce miradas (y media mirada más) al cine de Tomás Gutiérrez Alea", Casa de las Américas, p. 3-14, abril-junio'96.
• VV.AA.: "Alea, una retrospectiva crítica", 1987.