Brooklyn'de Yahudi bir ailenin çocuğu olarak doğan Aronofsky, annesi Charlotte ve babası Abraham ilkokul öğretmeniydi. Öğrenimini Edward R. Murrow Lisesi'nde tamamladı. 1987 yılında Harvard Üniversitesi, aksiyon ve animasyon bölümüne girdi. 1991 yılında mezun oldu. 1998 yılında Pi adlı filmini yaptı. 1998 yılında gösterime giren 'Pi' ile Sundance Film Festivali'nde En İyi Yönetmen ödülünü kazandı. Sonraki filmi, 2000 yapımı Requiem for a Dream oldu. Aronofsky, Hubert Selby Jr.'ın romanından aynı isimle sinemaya uyarladı. 2000 yılında Cannes Film Festivali'nde 13 dakikası gösterilen film, Ekim 2000'de ABD'de gösterime girdi. Daha sonra, yapımını, yazarlığını ve yönetmenliğini yaptığı The Fountain geldi. 2002'de başladığı film, başrol oyuncusunun ayrılması ile durdu. 2005'te tekrar çekimlere başlanan filmin 2006'da gösterime girdi. Rachel Weisz ve Hugh Jackman'ın başrolünde oynadığı filmin arkasından, 2008 yapımı Şampiyon (The Wrestler) geldi. Gözden düşmüş bir güreşçinin hikayesini etkileyici bir dille anlatan yönetmen, 2010'da bir başka insan hikayesiyle, New Yorklu bir balerinin hem kendisiyle, hem de rakipleriyle mücadelesini anlattığı Siyah Kuğu (Black Swan) ile yine beğeni kazandı. Siyah Kuğu filmindeki performansıyla başroldeki Natalie Portman kazandı.

2014'te bu kez tarihi bir film çeken Aronofsky, Noah filminde yönetmen koltuğuna oturdu. 2017'de de psikolojik gerilim türüne geri dönerek Anne! filmine imza attı.

2001'den 2010'a dek İngiliz aktris Rachel Weisz ile yaşayan Aronofsky'nin 2006 doğumlu Henry Chance adlı bir oğlu vardır. Sonrasında Anne! filminde rol verdiği aktris Jennifer Lawrence ile birliktelik yaşamaya başlamıştır.