En 1996, il coécrit son premier long-métrage : *Savannah* de Jean-François Hensgens. En 2003, il réalise son premier film avec *Requiem pour un flic*, qui connaît un certain succès critique et commercial. Il s'agit d'un thriller policiers avec Vincent Lindon dans le rôle principal.
En 2006, Demaison écrit et réalise *Méfieurs les collisions*, une comédie dramatique dont l'intrigue se déroule autour de la vie de deux frères jumeaux. Le film reçoit un accueil mitigé de la part des critiques, mais est considéré comme un véritable succès au box-office.
En 2014, Demaison revient sur grand écran avec *La Chèvre*, une comédie satirique portant sur le monde du journalisme et les politiciens. Le film est acclamé par la critique et reçoit plusieurs nominations aux Césars.
En 2016, Demaison réalise *Le Tout Nouveau Testament* qui raconte l'histoire d'une famille de dieux déchus dans un monde moderne. Le film est une adaptation du roman éponyme de Azouz Begag et reçoit des critiques favorables.
En 2018, Demaison réalise *La Belle Époque*, une comédie dramatique qui raconte l'histoire d'un homme qui achète une expérience temporelle dans le passé pour réconcilier avec sa femme. Le film est acclamé par la critique et reçoit plusieurs nominations aux Césars.
En 2020, Demaison réalise *Le Monde est à nous* qui raconte l'histoire d'une famille de rebelles dans un futur post-apocalyptique. Le film reçoit des critiques mitigées.
François Xavier Demaison est considéré comme un réalisateur à part entière avec une vision personnelle et une approche cinématographique originale. Sa carrière a connu un grand succès, tant au box-office que sur la scène critique, et il demeure l'un des créateurs les plus prometteurs de son pays.