Han var teateruddannet fra Moskva og London, og debuterede som teaterinstruktør i 1922 i London. Mamoulian flytet til USA i 1923, og debuterede på Broadway i 1927. Han regisserte sin første spillefilm i 1929, musikalen , og ble en av 30-tallets ledende filminstruktører med (1931), , (1933) med Greta Garbo i tittelrollen, og (1935). Efter 2. verdenskrig regisserte han bl.a. to filmmusikaler, (1948) og (1957).