Pawlikowski zaczął pracę reżyserską od filmów dokumentalnych. Jego najbardziej znane dzieła (realizowane dla BBC) poświęcone były Rosji, np. Z Moskwy do Pietuszek z  Wieniediktem Jerofiejewem (1990), zawierający m.in. wywiad z pisarzem. Swój pierwszy film fabularny pełnometrażowy, Ostatnie wyjście (Last Resort, 2000), nakręcił w wieku 43 lat i poświęcił go opowieści o rosyjskiej imigrantce, która stara się o uzyskanie azylu w Wielkiej Brytanii (za film otrzymał nagrodę bAFTA dla “najbardziej obiecującego twórcy”). W 2004 roku wyreżyserował kolejny film Lato Miłości, opowiadający o historii miłosnej między dwiema nastolatkami, które dzieli “przepaść klasowa”; była to pierwsza ważna rola kinowa Emily Blant. Film otrzymał nagrodę BAFTA jako najlepszy film brytyjski w 2005 roku.

W 2005 roku rozpoczął realizację projektu The Restraint of Beasts, przerwanego w 2006 roku chorobą żony, którą reżyser opiekował się do ostatnich chwil. W 2011 roku zakończył prace nad kolejnym filmem długometrażowym, którego akcja dzieje się w Paryżu, Kobieta z Piątej dzielnicy.

Pierwszy projekt filmu na temat siostry zakonnej, która poznaje zapomniane elementy polskiej historii dowiedziawszy się, że sama jest Żydówką, powstał w 2009 roku i nosił tytuł Sister of Mercy (Siostry miłosierdzia). Scenariusz, został uhonorowany w Cannes w 2010 roku nagrodą MEDIA European Talent w ramach programu medialnego Unii Europejskiej.