Cardiff begon al eind jaren ’20 met zijn werk bij de film en hield hier niet mee op tot een paar jaar voor zijn dood. Zijn oeuvre weerspiegelt dan ook de filmgeschiedenis. Op 15-jarige leeftijd werkte hij als camera-assistent en runner bij Britisch International Pictures, waar hij mee mocht helpen bij Hitchcocks The Skin Game (1931). Cardiff werkte mee aan de overgang van de stomme- naar de geluidsfilm. In de jaren dertig maakte hij de eerste Britse Technicolor film, Wings of the Morning (Harold D. Schuster, 1937), waarna hij nooit meer in zwart-wit draaide.

Na de Tweede Wereldoorlog was Cardiff werkzaam als cameraman bij vele grote filmregisseurs. Hij werkte mee aan A Matter of Life and Death (1946), Black Narcissus (1947) en The Red Shoes ( 1948), van Michael Powell en Emerich Pressburger. Daarnaast deed hij het camerawerk voor Under Capricorn (Alfred Hitchcock, 1949) en The Black Rose ( Orson Welles, 1950)

Ook regisseerde hij zelf films, waarvan Sons and Lovers (1960), Young Cassidy (1965) en The Girl on a Motorcycle (1968) het bekendst zijn.

In 2001 ontving Cardiff voor zijn oeuvre een speciale Oscar, de Honory Award. In 1947 won hij een Oscar voor het camerawerk voor de film Black Narcissus.