Il a grandi dans une famille de milieux modeste où il a découvert très tôt son goût pour le cinéma. Après des études à l'École supérieure d'études cinématographiques (ESSEC), il débute en 1984 comme assistant réalisateur, puis il travaille sur les plateaux de télévision.
En 1988, il réalise son premier court métrage, *La Petite Morte*. L'année suivante, il obtient le Prix Jean Vigo pour ce court métrage. En 1990, il réalise un autre court métrage intitulé *Les Pieds sur terre*.
En 1994, il réalise son premier long métrage, *La Vie rêvée des anges*, qui est sélectionné à la Quinzaine des Réalisateurs au Festival de Cannes. Le film obtient de bonnes critiques, et le réalisateur reçoit un César du meilleur espoir pour son travail sur ce film.
En 1998, il réalise *Les Enfants volants*, qui est également sélectionné à la Quinzaine des Réalisateurs au Festival de Cannes. Le film obtient un César du meilleur court métrage en 1999.
En 2002, il réalise le film *Les Invasions barbares*, qui est également sélectionné à la Quinzaine des Réalisateurs au Festival de Cannes et reçoit plusieurs nominations aux César. Le film remporte le Prix FIPRESCI du meilleur film étranger à la Mostra de Venise en 2003.
En 2014, il réalise *L'Échange des princesses*, qui est sélectionné en compétition officielle au Festival de Cannes. Le film reçoit le Prix Louis-Delluc et est nommé pour un César du meilleur film en 2015.
Jean-François Gobichon a également réalisé des épisodes de séries télévisées, tels que *Les Revenants* et *Mafiosa*. Il est considéré comme l'un des cinéastes les plus prometteurs de la nouvelle vague française.