Van Hoytema stamt uit het patriciërsgeslacht Van Hoytema. Hij werd geboren in Zwitserland als kind van Nederlandse ouders en verhuisde op jonge leeftijd naar Nederland.[2] Zijn vader, de architect Jacob Frederik (Job) van Hoytema, studeerde bouwkunde in Zürich en zijn moeder Gisele Suzanne (Gizia) Günsberg (1947-2010), was een dochter van een Pools-Joodse anesthesioloog. Hij heeft nog twee broers, en groeide vanaf 1987 op met de drie kinderen van de zus van zijn vader, wier ouders beiden op jeugdige leeftijd overleden.[3] De schrijfster Miriam Guensberg is zijn tante.
Carrière
Nadat hij werd afgewezen voor de Nederlandse Filmacademie studeerde Van Hoytema aan de gerenommeerde Polish National Film School in Łódź. Hij maakte zijn studie niet af en had enkele baantjes in Nederland en Polen voordat hij in 2002 in Zweden aan de slag kon als assistent bij de televisieserie Den förste zigenaren i rymden (De eerste zigeuner in de ruimte). Hierop volgden veelal banen bij andere Scandinavische producties, zoals de horrorfilm Låt den rätte komma in uit 2008.
In 2010 verzorgde hij voor het eerst de cinematografie van een Hollywoodfilm (The Fighter), en in 2011 volgde de grote Britse productie Tinker Tailor Soldier Spy. In 2012 werkte hij weer aan een Zweedse film (Call Girl) en ook aan de met een Oscar voor beste originele scenario bekroonde film Her van Spike Jonze. In 2013 werd bekend dat Van Hoytema ging werken aan Interstellar van de gerenommeerde regisseur Christopher Nolan.[4] In 2015 werkte hij als Director of Photography voor de James Bond film Spectre. In 2017 draaide hij, weer met Nolan, de film Dunkirk, waarvoor hij in januari 2018 werd genomineerd voor een Oscar voor beste camerawerk.[5] In 2019 werkte hij nogmaals samen met Nolan, dit keer voor de film Tenet (2020).[2] In 2023 werkte hij als cinematograaf mee aan Nolans film Oppenheimer waar hij een BAFTA en een Oscar voor won.[6] Datzelfde jaar was hij te gast in het VPRO-programma Zomergasten.[7]
Van Hoytema woont met zijn Zweedse vrouw en hun dochter in Los Angeles.[2] Tot aan diens dood had hij contact met de cameraman Robby Müller, die hij als zijn mentor beschouwde.[2]