Budapesten született, apja tisztviselő, majd rádiós volt, anyja varrással foglalkozott. Kiskorában egyszer Tiszadobnál, ahol nagyanyja lakott, a folyó holtágán besétált a mély vízbe, s mivel úszni nem tudott, majdnem megfulladt. Amikor a hullámok összecsaptak a feje fölött, a kissé zavaros vízen át különleges fényben és színben látta a partot - ehhez az élményhez köti sajátos látásmódját. Ekkoriban ragadt rá a Sutyi becenév is - apja hívta így, aztán az iskolában diáktársai, később pedig már mindenki így szólította. Már a gimnáziumban is amatőr filmes volt, a Színház- és Filmművészeti Főiskola (ma Egyetem) operatőr szakát 1965 és 1970 között végezte el a legendás Illés György tanítványaként, akit ma is mesterének vall. Vizsgafilmje az Agitátorok volt - a Magyar Dezső által rendezett alkotás volt a Balázs Béla Stúdió (BBS) első egész estés játékfilmje, amelyet azonban politikus hangvétele miatt hosszú időre dobozba tettek -, ezután a Mafilmnél dolgozott. Kezdetben dokumentumfilmeket készített, s három filmben segédoperatőr volt Illés György mellett.

Operatőrként olyan neves rendezőkkel dolgozott együtt, mint Dárday István (Jutalomutazás, Filmregény), Maár Gyula (Déryné, hol van?), Mészáros Márta (Örökbefogadás), András Ferenc (Veri az ördög a feleségét), Kovács András (A ménesgazda), Gábor Pál (Angi Vera), Dömölky János (Hajnali háztetők). Gothár Péter rendezte és ő fényképezte az azóta klasszikussá vált Megáll az időt, szintén Gothár mellett dolgozott az Ajándék ez a napban.

Különleges munkakapcsolat fűzi Szabó István rendezőhöz, akinek szinte minden nagy filmjében ő állt a kamera mögött, együttműködésükből olyan klasszikusok születtek, mint a Bizalom, az Oscar-díjas Mephisto, majd a trilógia további két része: a Redl ezredes és a Hanussen, aztán az Édes Emma, drága Böbe, a Találkozás Vénusszal, A napfény íze, a Szembesítés, a Csodálatos Júlia és a Rokonok. Néhány éve azt mondta, ma már rendezőnek tekinti magát, de ha adódna lehetőség, Szabó Istvánnal, de csak vele szívesen dolgozna operatőrként. Erre 2020-ban került sor, a Zárójelentés című filmdrámát készítették együtt, az alkotás főszerepét Klaus Maria Brandauer és Eperjes Károly alakították.

Az 1980-as évek közepétől dolgozott az Egyesült Államokban is, ahová a magyar származású Luis Mandoki hívta. Amerikában fényképezte a többi közt a Gaby - Egy csodálatos élet, A gyönyör rabjai, a Ha a férfi igazán szeret vagy az Egy igaz ügy című filmeket. Az olasz Giuseppe Tornatore rendezővel készítette Az óceánjáró zongorista legendája című filmet, majd a Monica Bellucci főszereplésével forgatott Malénát.

Koltai Lajos kiválóan alkalmazza a sötét és világos tónusokat, a belső terek megvilágítását illetően a világon a legjobbak közé tartozik. Különleges ismerője a fénynek, képeivel megteremti a film alaphangulatát - elég akár a Bizalom szobájának fényeire vagy a Redl ezredes kékes színeire, a Megáll az idő neonfényeire, az Óceánjáró hősének szemében tükröződő képre gondolni. Kamerája egy-egy képből bontja ki a történetet, egy-egy tónussal lélekábrázolásra képes. Az általa kidolgozott megvilágosítási eljárást a szakmában csak "lajosing" néven emlegetik. Egy-egy munka előtt mindig annak magját akarja megtalálni, s csak a helyszín ismeretében érzi meg a film hangulatát. Egy nyilatkozata szerint ahhoz, hogy valaki jó operatőr legyen, a technikai tudás nem elég, az is szükséges, hogy legyen véleménye a világról, és azt próbálja is meg közvetíteni másoknak.

Első filmjét 2004-ben rendezte az irodalmi Nobel-díjas Kertész Imre Sorstalanság című regényéből. Következő filmje rendezőként három évvel később az Este volt, amely Susan Minot világsikerű regénye alapján készült, s olyan hollywoodi sztárok játszották a főszerepet, mint Glenn Close, Meryl Streep és Vanessa Redgrave. 2023-ban csaknem két évtized után ült vissza a rendezői székbe, és az "anyák megmentéjéről", Semmelweis Ignác életéről forgatott filmet, amit 2024-ben Magyarország nemzetközi film kategóriában nevezett az Oscar-díjra.

Koltai Lajos művészi munkássága elismeréseként 1977-ben Balázs Béla-díjat kapott, 1982-ben érdemes művész lett, a Kossuth-díjat 1985-ben vehette át. 1999-ben az olasz filmek legjobb operatőrének járó Donatello-díjjal tüntették ki Az óceánjáró zongorista legendájáért, s neki ítélték az Európai Filmdíj legjobb operatőr díját is. 2001-ben Oscar-díjra jelölték a Maléna operatőri munkálataiért, s ismét átvehette a Donatello-díjat. 2002-ben megkapta a Magyar Művészetért-díjat, 2010-ben Prima Primissima díjas lett, 2012-ben Budapest, 2018-ban Eger díszpolgárává avatták. Tagja az Oscar-díjat osztó Amerikai Filmakadémiának és az Amerikai Operatőrök Társaságának (ASC), 2016-ban a Nemzet Művésze címmel is kitüntették. 2021-ben a Színház-és Filmművészeti Egyetemen a filmrendező művész mesterképző osztályvezető tanára lett. 2023-ban neki ítélték a Los Angeles-i Magyar Filmfesztivál életműdíját. 2024-ben Magyar Örökség Díjban részesült, és a Magyar Hollywood Tanács Adolph Zukor díjjal tüntette ki, a Semmelweis című filmjét több külföldi fesztiválon díjazták, amelyért elnyerte a MOZ.GO filmfesztivál legjobb rendezés díját, az alkotás pedig a legjobb játékfilmnek járó díjat kapta. 2024-2025-ben a 12. Savaria Filmszemle életműdíjasa lett és a Magyar Filmakadémia is életműdíjjal ismerte el pályáját. 2023 óta a Magyar Művészeti Akadémia rendes tagja.

2001-ben A fény festője címmel adtak ki könyvet munkásságáról, s a Sorstalanság bemutatójával egy időben jelent meg Marx József filmkönyve a mű készítéséről és Koltai életpályájáról. 2004-ben A Koltai napló 2001-2003 címmel dokumentumfilm, 2022-ben A fénnyel írt élet címmel portréfilm készült róla.

(MTI)