Durante la guerra si unisce ai partigiani per poi lavorare come interprete per l'esercito alleato. Nell'immediato dopoguerra collabora a Radio Firenze e si cimenta nelle prime prove di attore, alternandole ai suoi primissimi lavori teatrali, come scenografo e costumista presso l'Accademia Chigiana di Siena. Debutta nel cinema nel 1947, interpretando il ruolo di Filippo Garrone in "L'onorevole Angelina" di Luigi Zampa. Seguono anni importanti nei quali, con i suoi futuri più assidui collaboratori - Anna Anni, Alfredo Bianchini, Danilo Donati, Piero Tosi - frequenta i grandi artisti del momento, gli scenografi e costumisti, Gino Sensani, Mario Chiari e Maria De Matteis. Ma l'incontro più significativo è quello con Luchino Visconti: per lavorare con lui si trasferisce a Roma e compie le prime esperienze nel cinema come aiuto regista, insieme a un altrettanto giovane Francesco Rosi (in "La terra trema", 1948, e "Senso", 1954).
È fin dagli esordi pittore-scenografo e regista, un connubio destinato a durare per tutta la sua vita artistica, al teatro e al cinema. Tra gli allestimenti più famosi, "Come vi piace" di William Shakespeare - a fianco di Salvador Dalì (1948) - al Teatro Eliseo di Roma, "Un tram che si chiama desiderio" di Tennessee Williams (1949) e "Tre sorelle" di Anton Cechov (1952). La messa in scena di "Troilo e Cressida" al XII Maggio Musicale Fiorentino nel 1949. Ma anche "L'Italiana in Algeri" (1953); "La Traviata" con Maria Callas (1958). Con il soprano greco stringerà una profonda amicizia e un lungo sodalizio professionale. Con lei realizza nel 1964 le edizioni di "Tosca" e "Norma" (al Royal Opera House di Londra; all'Opéra de Paris), dedicandole nel 2002 il film "Callas Forever". Dagli anni Sessanta ai giorni nostri, innumerevoli sono le varianti di "Carmen", "Tosca", "Bohème", "Aida", "Traviata": celebri le rappresentazioni al Metropolitan Opera House di New York, e la "Turandot" all'Arena di Verona nel 2010.
Tra le regie teatrali più riuscite, alcuni classici shakesperiani ("Romeo e Giulietta", 1960; "Amleto", 1964; "Molto rumore per nulla", 1965 all'Old Vic di Londra) e alcune opere di importanti drammaturghi del XX secolo, da Edward Albee ad Arthur Miller, da Luigi Pirandello a Eduardo De Filippo. Felici le trasposizioni per il grande schermo di alcune opere di Shakespeare ("La bisbetica domata", 1967; "Romeo e Giulietta", 1968; "Amleto", 1990), titoli rilevanti a cui si aggiungono "Fratello Sole, Sorella Luna" (1972), il film televisivo "Gesù di Nazareth" (1977), i film opera "Traviata" (con Placido Domingo e Teresa Stratas 1983) e "Otello" (1986), solo per citarne alcuni. Tra gli ultimi film da regista, "Un tè con Mussolini" (1999), in cui Zeffirelli ripercorre gli anni della sua infanzia e adolescenza a Firenze e il documentario "Omaggio a Roma" (2009). A Firenze sono dedicati il film documentario "Per Firenze", girato nel 1966 dopo l'esondazione dell'Arno, e l'episodio su Firenze incluso nel documentario "12 registi per 12 città" (1989).
Molti i riconoscimenti artistici (tra gli altri, alcuni David di Donatello, il Bafta per "La Traviata" nel 1983, un Emmy Award per "Pagliacci" nel 1982, il premio Anna Magnani alla carriera nel 2012 e il Fiorino d'oro nel 2013) e le onorificenze ricevute (una tra tutte, la nomina a Cavaliere dell'Ordine dell'Impero Britannico, conferitogli dalla regina Elisabetta II d'Inghilterra nel 2004 per le sue messinscene della drammaturgia shakesperiana). È stato senatore della Repubblica Italiana dal 1994 al 2001.
Nel 2017, dopo molte traversie, si inaugura finalmente a Firenze il Centro internazionale delle arti dello spettacolo, progetto alla cui realizzazione e sviluppo ha lavorato fino agli ultimi giorni di vita.
Si spegne a Roma, all'età di 96 anni, il 15 giugno 2019, circondato dall'affetto dei due figli adottivi Pippo e Luciano Corsi Zeffirelli e degli amici più cari.