Né en 1943 à La Havane, il rejoint en 1961 le célèbre Institut Cubain d'art et d'industrie cinématographique, où il se forme à différents métiers : assistant de production, assistant de prise de vue, puis enfin assistant réalisateur aux côtés du réalisateur dissident Nicolas Guillen Landrian.

Juan Carlos Tabio aborde le court-métrage documentaire en réalisant des portraits d'artistes comme Miriam Makeba ou Soledad Bravo, puis fait ses premières armes au scénario avec Jusqu'à un certain point (Hasta cierto punto) en 1983, co-écrit avec le réalisateur Tomas Gutierrez Alea, tout à la fois une romance et une satire sur le statut de la femme à Cuba.

Tabio réalise ensuite son premier long-métrage Se Permuta, comédie sociale où une mère possessive décide de déménager pour empêcher sa fille de revoir son petit ami. Il enchaine ensuite avec Plaff ! ! Sortilège à Cuba ? où il se moque des superstitions locales.

En 1994, le cinéaste connaît un véritable succès international avec Fresa y Chocolate, chronique de l'homosexualité et du communisme dans le Cuba des années soixante-dix. Suit l'Elephant et la bicyclette, fantaisie sur une révolte populaire menée par un projectionniste de cinéma. Il retrouve ensuite Tomas Guitierrez Alea pour écrire et réaliser conjointement Guantanamera, road-movie satirique lui vaut encore une reconnaissance internationale.

On fait ensuite appel à Juan Carlos Tabio pour participer à la réalisation du film collectif Enredando sombras, qui retrace cent ans de cinéma d'Amérique latine. Il dirige ensuite le huis-clos social Liste d'attente, co-produit avec la France et présenté au Festival de Cannes. Puis, c'est Aunque estès lejos, film sur l'univers du cinéma au sein duquel se mêlent fiction et réalité. Toujours dans sa veine satirique où il égratigne ses compatriotes cubains, il dirige ensuite La Corne d'abondance, chronique au vitriol d'une famille modeste cherchant à s'emparer d'un héritage. Il participe, en 2012, au film collectif 7 jours à la Havane, où différents réalisateurs offrent leur point de vue sur la ville.