Ha treballat amb molts directors de cinema destacats, en concret amb Bernardo Bertolucci, amb el qual ha tingut una llarga col·laboració, així com Francis Ford Coppola i Warren Beatty.
Alguns dels seus treballs més destacats són: Novecento, El Conformista, L'últim tango a París, L'Últim Emperador, Apocalypse Now, One From the Heart, Vermells, Bulworth, El cel protector, Tucker: The Man and His Dream.
El primer èxit nord-americà de Storaro va ser Apocalypse Now, dirigida per Francis Ford Coppola en 1979, per la qual va guanyar el seu primer Oscar. Coppola va donar a Storaro total llibertat per recrear l'atmosfera visual del film, la qual cosa, segons molts crítics, l'ha convertit en una de les pel·lícules visualment més espectaculars de tots els temps. Ha rebut el Oscar també per Vermells (1981) i L'Últim Emperador (1987). Va rebre la seva quarta, i fins al moment última, nominació al Oscar pel seu treball en la pel·lícula Dick Tracy (1990) de Warren Beatty.
Storaro és considerat com un mestre de l'adreça de fotografia al cinema, el seu treball s'inspira en la teoria dels colors de Johann Wolfgang von Goethe, centrada en l'efecte psicològic que tenen els diferents colors i la manera en què aquests colors influeixen en la percepció de les diferents emocions. Juntament amb el seu fill, Fabrizio Storaro, ha creat Univisium, format que pretén unificar totes les futures produccions televisives i cinematogràfiques en una sola relació d'aspecte: 2.00:1. En 2002, Storaro va acabar el primer d'una sèrie de llibres sobre la seva filosofia sobre la cinematografia.