Ce n'est qu'en 1970 qu'il devient réalisateur, en cosignant avec Donald Cammell Performance, première apparition comme acteur de Mick Jagger. En quelques années, il tourne trois films remarquables, qui laissent augurer une carrière brillante, tant chacun des ces trois titres, dans des genres très différents, porte la marque d'un réalisateur hors norme.

La vision du bush australien et de ces deux enfants allant partager la culture des aborigènes dans La Randonnée (Walkabout, 1971), l'extraterrestre égaré et qui veut construire un vaisseau pour regagner sa planète de L'Homme qui venait d'ailleurs (1976, où, après avoir fait débuter Jagger, Roeg fait débuter David Bowie), et surtout la Venise hivernale et glauque, jamais filmée de façon aussi inquiétante, de Ne vous retournez pas (1973, avec Donald Sutherland et Julie Christie, un film-phare du fantastique moderne) : on pouvait saluer la naissance d'un cinéaste dont chaque film serait désormais attendu.

Inexplicablement, Enquête sur une passion (1980, avec encore une star de la pop music, Art Garfunkel), malgré son intérêt et les portes que le film ouvrait sur l'univers du désir, ne fut pas accueilli comme il le méritait. Et son suivant, Une nuit de réflexion (1985), bien que présenté à Cannes, était trop surprenant pour un public décontenancé de voir s'affronter dans le même hôtel Albert Einstein, Marilyn Monroe, Joe Di Maggio et le sénateur McCarthy. Aucun des six films qu'il a tournés depuis n'est parvenu sur les écrans français, un sketch du film collectif Aria (1987) excepté. On ne peut croire qu'un réalisateur capable de signer autant de titres mémorables ait perdu tout talent depuis 1985. Nicolas Roeg est encore à découvrir…