Ha trabajado con muchos directores de cine destacados, en concreto con Bernardo Bertolucci, con el que ha tenido una larga colaboración, así como con Francis Ford Coppola, Warren Beatty y Carlos Saura.

Algunos de sus trabajos más destacados son: Novecento, El conformista, El último tango en París, El último emperador, Apocalypse Now, One from the Heart (Corazonada), Rojos, Bulworth, El cielo protector, Tucker: The Man and His Dream, Tango, Goya en Burdeos.

Coppola dio a Storaro total libertad para recrear la atmósfera visual del film, lo que, según muchos críticos, la ha convertido en una de las películas visualmente más espectaculares de todos los tiempos.

Recibió su cuarta, y hasta el momento última, nominación al Óscar por su trabajo en la película Dick Tracy (1990) de Warren Beatty.

Junto con su hijo, Fabrizio Storaro, ha creado Univisium, formato que pretende unificar todas las futuras producciones televisivas y cinematográficas en una sola relación de aspecto: 2:1.