Formé en scénario à l’École de Cinéma et de l’Audiovisuel de la Communauté de Madrid (ECAM) après une maîtrise d’histoire, il est âgé d’à peine plus de vingt-cinq ans lorsqu’il co-réalise son premier long métrage en 2008, la comédie romantique 8 citas. Il travaille ensuite sur des séries de télévision espagnoles telles que Impares (2008), La pecera de Eva (2010), Vida loca (2011) ou encore Fragiles (2013), avant de revenir au cinéma avec un nouveau long-métrage en 2013, Stockholm, pour lequel il obtient le Prix du Meilleur Réalisateur au Festival du film de Malaga.
En 2011, il fonde parallèlement avec trois associés la société de production Caballo Films, qui lui permet notamment de produire Stockholm et les fonctions qui lui succéderont. En 2016, Que dios nos perdone, un thriller psychologique porté par le duo Antonio de la Torre – Roberto Álamo, qui lui vaudra le prix du meilleur scénario au Festival international du film de Saint-Sébastien. Son film suivant, El reino (2018), explore quant à lui les bas-fonds de la corruption politique espagnole et s’émancipe des codes du cinéma policier, jouant encore une fois avec les limites de la réalité et la fiction. Le film remporte sept Goya en 2019 dont celui du Meilleur réalisateur, du Meilleur scénario et du Meilleur acteur pour Antonio de la Torre.
On le retrouve en 2020 avec Madre, portrait de mère troublant sur fond de polar violent. En parallèle, Sorogoyen retourne à ses premières amours avec la série Antidisturbios en six épisodes.
En 2022, Rodrigo Sorogoyen signe son retour aux côtés de Marina Foïs et Denis Ménochet avec Las Bestias Le flm est présenté pour la première fois au Festival de Cannes, en sélection ofcielle Cannes Première.