Juan Antonio García Bayona nació el 9 de mayo de 1975 en Barcelona, Cataluña, España. Nacido en el seno de una familia con escasos recursos, creció en el barrio barcelonés de la Trinitat Vella. Estudió en la Escola Superior de Cinema i Audiovisuals de Catalunya (ESCAC). A los 19 años conoció a Guillermo del Toro, a quien ve como un mentor, en el Festival de Cine de Sitges.
Tras su graduación en la ESCAC, inició su carrera dirigiendo anuncios y videos musicales. Firmó su primer contrato, a los 20 años, con la banda española OBK y obtuvo el premio Ondas por el vídeo musical de Tú sigue así. Debido a su buen trabajo, su nombre resonó en la industria musical y poco tiempo después se convirtió también en el director de cabecera del grupo Camela. Fue el encargado de ilustrar la pieza Cómo repartimos los amigos, con la que el dúo Ella Baila Sola se despidió de su público. Ha trabajado en muchos videoclips para artistas como Pastora Soler, Enrique Bunbury y Miren Iza, así como con la banda británica, Keane.
En 1999 dirigió el corto Mis Vacaciones y en 2002 El Hombre Esponja. En 2007 comenzó a trabajar en su primer largometraje, El Orfanato, en el que contó con la ayuda de Guillermo del Toro como coproductor. Por esta película, presentada en el Festival de Cannes, Bayona fue galardonado con el Goya a Mejor Director Novel en 2008, la cinta estuvo nominada en 14 categorías, de las cuales ganó 7.
En agosto de 2010 inició el rodaje de Lo imposible. En marzo de 2012 dirigió el videoclip Disconnected, segundo single del álbum Strangeland, volviendo a trabajar con el cuarteto británico Keane.
Fue el encargado de dirigir los dos primeros episodios de la serie Penny Dreadful, creada por John Logan.
Entre sus últimos trabajos tenemos la dirección de Un monstruo viene a verme (2016), adaptación de la novela homónima de Patrick Ness y Jurassic World: El reino caído (2018).