1962年、安部公房脚本のテレビドラマを映画化した自身初の長編劇映画『おとし穴』を監督。これがATG初の日本映画となった。同作は第15回カンヌ国際映画祭の批評家週間部門に出品された。1964年には勅使河原プロを設立。同年、再び安部と組み、砂の穴に閉じ込められた女と男を通じて人間の本質を描いた野心作『砂の女』を映画化。第15回ブルーリボン賞と第19回毎日映画コンクールの作品賞・監督賞、第38回キネマ旬報ベスト・テン第1位を獲得。国外でもカンヌ国際映画祭審査員特別賞、サンフランシスコ映画祭銀賞を受賞し、アカデミー賞では監督賞と外国語映画賞にノミネートされた。国内外で絶賛された同作は、自他共に認める生涯最高の代表作となった。以降も安部と組んだ『他人の顔』（1966年）や『燃えつきた地図』（1968年）などが国際的に高く評価された。また、1968年にはアカデミー賞の審査員を日本人として初めて務めた。