Fils du poète roumain Tudor Arghezi, il fait ses études à Bucarest, revient définitivement à Paris en 1924 pour y travailler dans le cinéma, et adopte la nationalité française en 1926. A Paris en 1927, Lotar fait la connaissance de la photographe allemande Germaine Krull, qui devient sa compagne. Il se met à la photographie. Ensemble, ils collaborent aux revues, Jazz, Variétés, Bifur, Documents, la revue de Georges Bataille, et participent à de nombreuses expositions, souvent avec le photographe André Kertész. Le goût de Lotar pour l'insolite marqué de pessimisme le rapproche du Surréalisme. Son reportage sur les abattoirs de La Villette en 1929, illustrant l’article "abattoir" du dictionnaire proposé par la revue de Bataille, Documents, est la partie la plus connue de son oeuvre. La photo la plus célèbre de cette série montre des pieds de veaux alignés contre un mur noir [#].

Lotar, parallèlement, s'intéresse au cinéma et au théâtre. Il fréquente Alberto Cavalcanti, René Clair, Luis Bunuel, Antonin Artaud, Roger Vitrac. En 1933, Lotar filme les images du film de Bunuel Terre sans pain. Il commence à délaisser la photographie, se tourne vers le cinéma et multiplie les voyages. Membre du Groupe Octobre de Jacques Prévert, Lotar travaille avec les cinéastes Jacques Brunius, Joris Ivens, Jean Painlevé, Jean Renoir, comme photographe ou cameraman, et avec Marc Allégret, comme assistant réalisateur. Il est notamment photographe de plateau sur Partie de campagne de Jean Renoir. En 1946, Eli Lotar réalise un célèbre documentaire Aubervilliers, écrit par Jacques Prévert, musique de Joseph Kosma.

Au cours de ses dernières années, proche d'Alberto Giacometti, il a posé pour trois bustes du sculpteur.

La ville d'Aubervilliers, en hommage, a appelé l'un de ses parcs, au bord du Canal Saint-Denis, "parc Eli Lotar".