Nyíregyházán született, gyermekkorát egy szabolcsi tanyán, nagyanyjánál töltötte. 1956-ban a nyíregyházi Széchenyi István Közgazdasági Technikumban érettségizett. 1963-ban végzett a Színház- és Filmművészeti Főiskolán, ahol több vizsgafilmjével is felhívta magára a figyelmet (Etűd egy hétköznapról, Jegyzetek egy tó történetéhez, A fény). Diplomájának megszerzése után a Mafilm rendezője, majd az Objektív Stúdió egyik alapítója, 1989-1992 között Szabó Istvánnal együtt művészeti vezetője volt.

Kósa Ferenc filmjeinek és dokumentumfilmjeinek nemcsak rendezője, de forgatókönyvírója, illetve Sára Sándor több filmjének (Vízkereszt, Feldobott kő) társírója volt. 1967-ben a József Attila életéről szóló, Öngyilkosság című rövidfilmje a többi közt elnyerte a Filmkritikusok Nemzetközi Szövetségének (FIPRESCI) díját, 1977-ben az Adyról szóló, Szeretném, ha szeretnének című kisfilmjét az MTV elnökének nívódíjával jutalmazták.

A filmvilágba az 1965-ben készült Tízezer nap című diplomafilmjével robbant be, amely az első közös munkája volt Csoóri Sándor íróval (az operatőr Sára Sándor volt). Mivel a műben nevén nevezték az 1956-os forradalmat, a hatalom betiltotta az alkotást, a nyilvános bemutatót csak a külföldi siker és számos újravágás után tarthatták meg. A magyar újhullám kiemelkedő darabja, a szociografikus kutatásokon alapuló, balladai hangvételű mű a cannes-i filmfesztiválon 1967-ben elnyerte a rendezői díjat, a zsűriben többek közt olyan filmlegendák ültek mint Vincente Minnelli, Claude Lelouch, Szergej Bondarcsuk, Jancsó Miklós és Shirley MacLaine. A filmet beválasztották a Budapesti Tizenkettő, az 1948-1968 közötti évek tizenkét legjobbnak tartott magyar filmje közé, melyeket a magyar filmszakma 1968-ban titkos szavazással jelölt ki. Az alkotás 2014-ben felújított képpel és hanggal jelent meg DVD-n, amelyen helyet kapott a rendező két korai rövidfilmje (a Fény és az Öngyilkosság), valamint egy beszélgetés is, amelyben a pályakezdéséről, a forgatásról és a film betiltásáról, továbbá a cannes-i seregszemléről beszél.

Kósa Ferenc több munkáját is a kelet-európai diktatúrák, különösen az egyén és a történelem, a szabadság és a manipuláció lehetőségeinek vizsgálata, valamint mitizáló, látomásos ábrázolásmód jellemzi (Ítélet, 1970; Hószakadás, 1973; Nincs idő, 1974). A jelen morális és ideológiai konfliktusainak nézőpontjából jelent meg a nyilas időszak, az ötvenes évek, az 1956-os forradalom tematikája A mérkőzés (1981) és A másik ember (1987) című filmjeiben.

Legnagyobb vitát kiváltó munkái mégis dokumentumfilmjei voltak: a Balczó András legendás öttusázóról készült Küldetés (1977) nagy siker volt a mozikban, de mivel a korabeli kultúrpolitika vezetői "rendszerellenes kritikának" minősítették, három hét után levetették a műsorról. A gyógyhatású cseppeket feltaláló Béres Józsefről forgatott riportfilmje, Az utolsó szó jogán két részben készült el, először 1976-ban, majd egy évtized múlva követte a szereplők sorsát. A rendező az utóbbi két évtizedben több magyar-japán dokumentumfilmet is forgatott (Sirakava - a világörökség része, Taigan - A túlsó part).

Kósa Ferenc 1975 és 1990 között a Magyar Filmművészeti Szövetség nemzetközi kapcsolatokkal foglalkozó titkára volt. Részt vett a rendszerváltó reformmozgalomban, erről filmeket is forgatott. Ott volt a monori találkozón és a lakiteleki sátorban is, majd az MSZMP Reformszövetség platformja vezetőjének is megválasztották. Az MSZP 1989. októberi megalakulása után az országos elnökség tagja (a kultúra, a művészetek és a médiaügyek szakértője), 1990 és 2006 között az MSZP parlamenti képviselője volt, nevéhez fűződik többek között a filmtörvény megalkotása. A rendező, akinek felesége japán, 1989-től volt a magyar-japán baráti társaság alelnöke, majd a szervezet tiszteletbeli elnöke lett.

Az évtizedek során több filmnovellát és forgatókönyvet írt együtt Csoóri Sándor íróval, 1972-ben jelent meg közösen jegyzett novelláskötetük, a Forradás. A rendezőnek az 1970-es évek óta jelennek meg írásai folyóiratokban (Alföld, Új Forrás, Tiszatáj, Valóság, Tekintet) és napilapokban. Filmjeit több mint ötven országban mutatták be. Tíz éve külföldi utazásain készített fotóiból rendeztek kiállítást, két éve Az idő egésze címmel több mint háromszáz fotográfiájából Hódmezővásárhelyen nyílt tárlata. Egy nyilatkozata szerint a fotózásban érezte igazán szabadnak magát, s szándéka szerint fényképei nemcsak arról szólnak, amit látott, hanem arról is, amit ott és abban a pillanatban érzett.

Munkásságát számos elismeréssel jutalmazták. 1967-ben a cannes-i filmfesztiválon megkapta a legjobb rendezés díját, itthon ötször nyerte el a filmszemle díját. 1968-ban Balázs Béla-díjat, 1989-ben érdemes művészi címet, 1997-ben Magyar Örökség-díjat, 2000-ben Tekintet-díjat, 2001-ben Hazám-díjat kapott. 2007-ben nagyhatású, magas színvonalú játék- és dokumentumfilmjeiért Kossuth-díjat kapott, 2008-ban a Magyar Mozgókép Mestere lett. 2009-ben megkapta a Húsz éves a Köztársaság Díjat, 2012-ben a Magyar Művészetért Díjjal és Prima Primissima-díjjal tüntették ki. 2017-ben Kölcsey-emlékplakettet vehetett át.

(MTI)