Ce scientifique, fils du mathématicien et homme politique Paul Painlevé, réalise à partir de 1925 (Évolution de l'uf) de nombreux courts métrages documentaires. Dans le genre, il innove par des uvres qui, loin de sacrifier le côté artistique du cinéma à l'aspect purement scientifique, rigide et parfois ennuyeux, présentent de réelles qualités esthétiques, poétiques et rythmiques. Ami des surréalistes, fondateur de l'Institut du cinéma scientifique en 1930, directeur général du Cinéma, organisme provisoire créé à la Libération (1944-45), fondateur de la Commission supérieure technique ( cst), président de la Fédération française des ciné-clubs (1946-1956), il a essentiellement filmé des animaux « de la naissance à la mort, du point de vue scientifique et photogénique » : la Pieuvre (1928), les Oursins (id.), la Daphnie (id.), l'uf d'épinoche (id.), les Crabes (1930), les Crevettes (id.), le Bernard-l'ermite (id.), l'Hippocampe (1934), qui enchanta les surréalistes, le Vampire (1945), Assassins d'eau douce (1947), les Oursins (1958), Danseuses de la mer (1960), Comment naissent les méduses (id.), les Amours de la pieuvre (1967). Il a également tourné : Rupture de fibres (1931), Voyage dans le ciel (1937), Notre planète la Terre (1947), les Alpes (1958). Il a réalisé un film d'animation : Barbe-Bleue (1936) et écrit notamment le fameux commentaire du film de Franju le Sang des bêtes (1949).
