1897. január 24-én született Budapesten, apja gyógyszerész volt. Az első világháború idején katonai szolgálatot teljesített, és a huszárhadnagyságig jutott. Ezután Budapesten vegyészetet tanult, de művészi érdeklődése az Operaházba vitte, ahol díszletmunkásként dolgozott. 1919-ben, a tanácsköztársaság idején az államosított filmgyártás ügyeit intézte, majd az Orient Film szcenikai főnöke lett, 1920-ban már a Mobil Filmvállalat forgatókönyvírója, főrendezője. Mikófalván népi passiójátékkal, majd az Egri csillagok megfilmesítésével próbálkozott, de a forgatás pénzügyi nehézségek miatt kudarcba fulladt, ő pedig 1923-ban elhagyta Magyarországot.
Bécsben Max Reinhardt, Berlinben Fritz Lang asszisztenseként leste el a filmszakma mesterfogásait. 1926-ban kivándorolt Amerikába, ahol a Rockefeller vegyészeti intézetben vegyésztechnikusként dolgozott, orvos-bakteriológus képesítést szerzett.
Sorsa újabb váratlan fordulatot vett: színházi segédrendező, később dramaturg lett, majd megtakarított pénzét is befektetve Hollywoodban 1928-ban leforgatta Az utolsó pillanat című filmet. A különös hangulatú dráma osztatlan sikert aratott – még Chaplin is lelkesen üdvözölte –, és a kritikusok az év legjobb filmjének értékelték (a listán épp Chaplin Cirkusz című filmjét előzte meg). Fejőst az Universal filmgyár szerződtette, s újabb alkotása, A nagyváros mostohái szintén kivívta a szakmai közvélemény elismerését.
Első hangosfilmje, az 1929-ben forgatott Broadway nagy sikert aratott, akárcsak A nagy ház című műve, majd az Emberek a rács mögött (Szerelmes ördög) című börtöndrámája is. Ekkor már világszerte a legnagyobb rendezőkkel emlegették egy sorban, de rá kellett döbbennie: Hollywood túl nagy árat kér a hírnévért, a művészi szabadság feladását.
1932-ben rövid időre hazalátogatott, francia tőkével két jelentős filmet készített Tavaszi zápor és Ítél a Balaton címmel. Az utóbbi egy falusi Rómeó és Júlia-történet, amely a magyar mellett angol, francia és német változatban is elkészült. Egyedül a német kópia maradt meg, a magyar változat megsemmisülése azért is nagy veszteség, mert olyan kitűnő színészek játszottak benne, mint Csortos Gyula és Páger Antal. Fejős Pál 1933-ban Bécsben forgatott, nagy költségvetéssel készítette a Mégis szép az élet (Sonnenstrahl), majd a Tavaszi hangok (Frühlingsstimmen) című filmjeit. A következő években Dániában élt és rendezett. 1935-36-ban a svéd Svenk Film Industri megbízásából Madagaszkáron a szigetország törzseinek életét, szokásait, művészetét rögzítette celluloidszalagra, ezután egy svéd etnológiai expedíció tagjaként Indiában és Thaiföldön néprajzi filmeket készített.
1938 táján a régészet és az antropológia kedvéért végleg felhagyott a filmezéssel. Utolsó befejezett filmje a Sziámban forgatott Egy marék rizs, amely egy fiatal pár megélhetésért folytatott élethalálharcát mutatja be megrázóan. Expedíciójával a déltengeri Csütörtök-szigetek világát tanulmányozta, majd Latin-Amerika inka városaiban régészeti tanulmányokat folytatott.
1941-től az amerikai Wenner-Gren antropológiai tudományos alapítvány igazgatója, 1955-től elnöke volt 1963-ban bekövetkezett haláláig. 1943-tól a Stanford Egyetemen, 1949–1951-ben a Yale Egyetemen, ezután 1955-ig a Columbia Egyetemen tanított kulturális antropológiát. A New York-i akadémia tagjaként nemzetközi szaktekintélynek számított, számos tudományos publikációja jelent meg.
Személyében a művész és a tudós egyaránt jelen volt. Pályája kezdetén mondta: lássuk be, hogy a film minden közönségréteghez eljuthat, így egyik legfontosabb eszköze a műveltség és az ismeretek terjesztésének. Eljön az idő, amikor a film a szokványos hétköznapi történetektől mentesen a tudományos ismeretterjesztés egyik legfőbb eszköze lesz.
Halála után Farkas Ferenc zeneszerző, Fejős egyik legjobb barátja és számos filmjének komponistája Gyász és vigasz címmel zenekari művet írt emlékére. Noha csak életének első felében filmezett Fejős Pál, a némafilmkorszak végén és az első hangosfilmek idején kifejtett munkásságával a világ legjobb filmalkotóinak sorába emelkedett.
