Philippe Falardeau est né à Hull, où il grandit. Il étudie à l'école primaire Mont Bleu. Il fait ensuite ses études de niveau secondaire au Collège Saint-Alexandre.

De 1985 à 1989, il étudie en sciences politiques et en relations internationales à l'Université d'Ottawa et reçoit la Médaille d'argent de l'Université, ainsi qu'une bourse commémorative.

Après l'obtention de ses diplômes, il travaille deux ans en tant qu'analyste politique pour la Fédération des francophones hors Québec, où il écrit Hier, la francophonie, un survol historique de la diaspora francophone canadienne. En 1991, il s'est inscrit à la maîtrise en relations internationales à l'Université Laval, mais il quitte la ville de Québec l'année suivante afin de participer à l'émission La Course destination monde, diffusée sur les ondes de Radio-Canada. Il remporte l'édition 1992-1993 de la Course et rafle également le prix du Centre de recherche pour le développement audiovisuel. Il travaille par la suite à Paris en tant que réalisateur pour l'édition française de l'émission Surprise sur prise, sur France 2.

Il travaille comme cameraman sur Attendre de Marie-Claude Harvey, un documentaire qui se penche sur la situation au Sud-Soudan et qui est produit par l'Office national du film du Canada. Il tourne peu après un moyen-métrage satirique sur l'immigration asiatique au Canada (Pâté chinois). En 2000, il réalise son premier long-métrage, La Moitié gauche du frigo, qui met en vedette Paul Ahmarani et Stéphane Demers. Son deuxième long-métrage, Congorama, est présenté à la Quinzaine des réalisateurs de l'édition du Festival de Cannes 20061, pour ensuite remporter cinq prix Jutra en 2007 : meilleur film, meilleure réalisation, meilleur scénario, meilleur acteur et meilleur acteur de soutien.

En 2008, C'est pas moi, je le jure!, présenté en première mondiale au Festival international du film de Toronto, remporte plusieurs prix, dont le Valois du meilleur film au Festival du film francophone d'Angoulême en 2009.

En août 2011, son film Monsieur Lazhar, une adaptation de la pièce Bachir Lazhar de la dramaturge québécoise Évelyne de la Chenelière, est présentée en avant-première au Festival international du film de Locarno 2011, en Suisse. Le film raconte l'histoire d'un Algérien de 50 ans qui accepte de prendre en charge les élèves d'une classe de 6e année à la suite du suicide de leur institutrice. Bachir tissera des liens forts avec sa classe, mais ce dernier cache un lourd secret. Le 24 janvier 2012, Monsieur Lazhar, est mis en nomination aux Oscars dans la catégorie meilleur film en langue étrangère. Le film remporte en outre sept Jutra : meilleur film, meilleure réalisation, meilleur scénario, meilleure actrice de soutien, meilleur acteur de soutien, meilleur son, meilleure musique originale.

En 2013, il tourne en anglais le film The Good Lie, qui met en vedette l'actrice américaine Reese Witherspoon.

En 2015, il réalise la comédie Guibord s'en va-t-en guerre, où sont en vedette Patrick Huard et Suzanne Clément.

Il met ensuite en scène le biopic Outsider qui sort en 2017. Ce film retrace la vie du boxeur américain Chuck Wepner, qui a inspiré le personnage Rocky Balboa.