Był jednym z najbardziej utalentowanych i wszechstronnych reżyserów pracujących w systemie studyjnym Hollywood. Przyczynił się do rozwoju sztuki filmowej na początku ery dźwiękowej. Odważnie przecierał szlaki dla pozostałych reżyserów, wdrażając nowe technologie i techniki filmowania. Z wielką inwencją wykorzystywał dźwięk, rozmyślnie operował kolorem oraz ruchem kamery. Jednocześnie święcił sukcesy jako jeden z czołowych reżyserów na Broadwayu.
Urodził się w 1897 roku w Gruzji, wówczas pod panowaniem Rosji. Jego ojciec był bankierem, zaś matka pracowała w teatrze. On sam zainteresował się teatrem studiując prawo karne na uniwersytecie w Moskwie. Szkolił się w MChAT (Moskiewski Akademicki Teatr Artystyczny) pod okiem
Jewgienija Wachtangowa, jednego z najsłynniejszych uczniów Konstantego Stanisławskiego. W 1918 założył studio teatralne w Tyflisie (dzisiaj Tbilisi). Dwa lata później ruszył z rosyjskim teatrem repertuarowym do Anglii, gdzie też pozostał, aby uciec od sowieckiego reżimu i studiować sztuki dramatyczne na Uniwersytecie Londyńskim.
W 1923 wyemigrował do USA, przez kilka lat reżyserował wielkie opery i operetki w Eastman Theatre w Rochester w Nowym Jorku. Pod koniec lat 20. wykładał i reżyserował w nowojorskiej gildii teatralnej. Wywarł olbrzymi wpływ na amerykańską scenę swoją produkcją sztuki "Porgy", obsadzając samych czarnoskórych aktorów. W międzyczasie nakręcił "
Aplauz", wczesny film dźwiękowy dla studia Paramount. Z dużą wprawą korzystał z głosu i muzyki. Na planie zamontował koła do dźwiękoszczelnej budki z kamerą, dając jej swobodę ruchu. Dzięki swoim innowacjom szybko zyskał uznanie i uwagę filmowego środowiska.
Jego pierwszym filmem po przeprowadzce do Hollywood były "
Wielkomiejskie ulice", jeden z lepszych wczesnych filmów gangsterskich, aczkolwiek nie tak głośny, jak "
Mały Cezar", "
Wróg publiczny nr 1" czy "
Człowiek z blizną". Następnie stworzył pierwszą dźwiękową wersję "
Doktora Jekylla i pana Hyde’a" (Oscar dla najlepszego aktora, nominacja za zdjęcia i scenariusz), obraz przez wielu uważany za arcydzieło reżysera. Chwalono scenę transformacji bohatera, w której zastosowano nowatorskie użycie makijażu, światła i filtrów.
Kolejna produkcja Mamouliana, "
Kochaj mnie dziś", uchodzi za jeden z najlepszych wczesnych musicali, płynnie łącząc fabułę i piosenki (w scenie otwierającej reżyser pomysłowo wtapia uliczne dźwięki i odgłosy chrapania w jazzowy, synkopowany rytm). W 1933 nakręcił swój ostatni film dla Paramount, "
Pieśń nad pieśniami", przez wielu ówczesnych krytyków uznany za błahy melodramat. Więcej szczęścia miał w progach MGM, gdzie reżyserował
Gretę Garbo w "
Królowej Krystynie". Po przeciętnej adaptacji powieści
Tołstoja w formie "
Katiuszy", nakręcił "
Jarmark próżności", pierwszy pełnometrażowy film w technice Technicolor.
W 1935 wrócił na Broadway, gdzie triumfował produkcją "Porgy i Bess". Trzy kolejne filmy reżysera - "
Dla ciebie Seniorito", "
Płynne złoto" i "
Złoty chłopiec" - nie spotkały się z ciepłym przyjęciem. Do kinowej formy wrócił po przejściu do wytwórni Twentieth Century-Fox, kręcąc nowe wersje niemych przebojów. "
Znak Zorro" stał się klasykiem kina awanturniczego. "
Krew na piasku" to najbardziej malarski film reżysera, nawiązujący do hiszpańskich mistrzów, zwłaszcza El Greco. Kolejna produkcja dla studia, "
Rings on Her Fingers", odniosła już mniejszy sukces.
Następnym projektem reżysera miała być "
Laura", lecz został zwolniony przez
Darryla F. Zanucka. Zniesmaczony tym doświadczeniem wrócił na Broadway, gdzie wyreżyserował wielkie przeboje "Oklahoma!" i "Carousel". Stworzył jeszcze tylko dwa filmy-musicale, "
Letnie wakacje" i "
Jedwabne pończoszki", oba dla MGM. W międzyczasie nakręcił również kilka nowych scen do "
Dzikiego serca" na potrzeby amerykańskiej dystrybucji.
Przez całą swoją karierę miał opinię trudnego, bezkompromisowego reżysera. Nie tolerował ingerencji w proces twórczy. Studia w końcu zmęczyły się walką z reżyserem, przez co szybko został zwolniony z produkcji "
Porgy i Bess" oraz słynnej "
Kleopatry" i w efekcie trafił na czarną listę wielkich wytwórni. Mimo to, zanotował trwały wkład w kino amerykańskie, zostawiając po sobie 16 stylowych, zręcznie nakręconych tytułów, w których umiejętnie łączył muzykę i efekty dźwiękowe z wizualnym rytmem obrazu.