Philipps a obtenu un diplôme du prestigieux Caltech en ingénierie électrique et de physique en 1988, puis est allé travailler pour Apple Computer. Cependant, il a été licencié peu de temps après son embauche, à la suite d'une restructuration de l'entreprise.
Philipps s'est alors tourné vers le cinéma et a travaillé comme assistant réalisateur sur plusieurs projets. En 1995, il a coécrit avec Michael Andrews le scénario du film "Chuck & Buck", qui a été sélectionné au Festival du Film de Sundance.
En 2000, Philipps a dirigé son premier long métrage, "Memento", dont l'histoire suit un homme souffrant d'amnésie antergrade qui cherche à résoudre le meurtre de sa femme et à retrouver son fils disparu. Le film a reçu de nombreuses critiques positives et Philipps a été nommé pour le prix BAFTA du meilleur réalisateur.
Depuis, Philipps a dirigé plusieurs autres films, dont "The Machinist" (2004), "Oldboy" (2013) et "Inception" (2010), qui est considéré comme l'un des plus grands succès de son carrière.
Philipps est connu pour son style cinématographique très personnalisé, marqué par des éclairages noirs et des scènes confuses et complexes, avec une utilisation fréquente du flashback. Il a également été critiqué pour sa violence graphique dans certains de ses films.
En 2017, Philipps a dirigé "Valerian and the City of a Thousand Planets", un film de science-fiction basé sur la bande dessinée de Pierre Christin et Jean-Claude Mézières. Le film a connu un accueil mitigé des critiques, mais a été un succès commercial à l'international.
Philipps est actuellement en post-production pour son prochain film, "Tenet", qui devrait sortir en 2021.