Blomkamp begann mit 17 Jahren in Südafrika als professioneller Trickfilmzeichner bei Deadtime unter Simon Hansen und Sharlto Copley. 1997 zog seine Familie nach Vancouver in Kanada, wo er sich dann in die Vancouver Film School einschrieb. 2003 wurde er beauftragt fotorealistische Flugzeuge aus der Zukunft für die populären Wissenschaften der „Next Century in Aviation“ zu illustrieren. 2004 bekam er einen Auftrag zur Illustration von „The Future of the Automobile“. Blomkamp arbeitete dann als Künstler für Visuelle Effekte bei der The Embassy Visual Effects in Vancouver und der Rainmaker Digital Effects.

Sein Durchbruch gelang Blomkamp 2007 als Regisseur der Trilogie Landfall von Live-Action-Kurzfilmen, welche im Halo-Universum spielen um für die Veröffentlichung von Halo 3 zu werben. Halo: Combat, der zweite Film der Landfall-Trilogie, gewann den Cannes Lions 2008 – Film Lions Grand Prix.

Daraufhin wurde Blomkamp die Regie für seinen ersten Spielfilm angeboten, eine Adaptation des Videospiels Halo. Dessen Finanzierung scheiterte jedoch an Unstimmigkeiten zwischen Universal Pictures und 20th Century Fox. Peter Jackson, der Produzent des Projekts bot Blomkamp stattdessen an, District 9 zu produzieren, eine Adaptation des Kurzfilms Alive in Joburg aus dem Jahr 2005 von Spy Films, bei dem Neill Blomkamp, Sharlto Copley, Simon Hansen und Shanon Worley die Regie führten. Bei District 9 führte Blomkamp Regie und Copley spielte die Hauptrolle; er wurde Mitte August 2009 veröffentlicht und von den Kritikern hoch gelobt. Blomkamp benutzt für seinen dokumentarischen Stil meistens die Handkameraperspektive, die Cinéma-vérité-Technik und eine Mischung aus naturnahen sowie fotorealistischen computergenerierten Effekten.

Blomkamps zweiter Kinofilm heisst Elysium und behandelt ebenfalls ein düsteres Science-Fiction-Setting. Die Dreharbeiten begannen im Juli 2011. Der Film erschien am 9. August 2013. Im März 2015 folgte der dritte Spielfilm Chappie.

Blomkamp lebt in Vancouver.