Santaolalla va néixer a Ciudad Jardín Lomas del Palomar, Argentina.[1] i va créixer durant el govern de la junta militar argentina i el període més tard conegut per la guerra bruta.[2] La seva carrera professional a la música va començar el 1967, quan va cofundar el grup Arco Iris.[3] Va deixar el grup el 1975.[4]
Al final dels anys 90 va començar la seva carrera com a compositor de bandes sonores per a pel·lícules com Amores perros, 21 grams o Diarios de motocicleta. Un dels seus treballs més recents ha estat la part instrumental de la banda sonora de la pel·lícula Brokeback Mountain per la qual va guanyar l'Oscar. D'aquesta banda sonora, Love That Will Never Grow Old va guanyar el Globus d'Or i un altre per Babel, per la qual va rebre un altre Oscar, per segona vegada consecutiva. Actualment està assentat a l'estat de Califòrnia (Estats Units).