Budapesten született, apja tisztviselő, majd rádiós volt, anyja varrással foglalkozott. Kiskorában egyszer Tiszadobnál, ahol nagyanyja lakott, a folyó holtágán besétált a mély vízbe, s mivel úszni nem tudott, majdnem megfulladt. 

Amikor a hullámok összecsaptak a feje fölött, a kissé zavaros vízen át különleges fényben és színben látta a partot – ehhez az élményhez köti sajátos látásmódját. 

Ekkoriban ragadt rá a Sutyi becenév is – apja hívta így, aztán az iskolában diáktársai, később pedig már mindenki így szólította. Már a gimnáziumban is amatőr filmes volt, a Színház- és Filmművészeti Főiskola operatőr szakát 1965 és 1970 között végezte el a legendás Illés György tanítványaként, akit ma is mesterének vall. Vizsgafilmje az Agitátorok volt, ezután a Mafilmnél dolgozott. Kezdetben dokumentumfilmeket készített, s három filmben segédoperatőr volt Illés György mellett.

Operatőrként olyan neves rendezőkkel dolgozott együtt, mint Dárday István (Jutalomutazás, Filmregény), Maár Gyula (Déryné, hol van?), Mészáros Márta (Örökbefogadás), András Ferenc (Veri az ördög a felségét), Kovács András (A ménesgazda), Gábor Pál (Angi Vera), Dömölky János (Hajnali háztetők). Gothár Péter rendezte és ő fényképezte az azóta klasszikussá vált Megáll az időt, szintén Gothár mellett dolgozott az Ajándék ez a napban. 

Különleges munkakapcsolat fűzi Szabó István rendezőhöz, akinek szinte minden nagy filmjében ő állt a kamera mögött,

együttműködésükből olyan klasszikusok születtek, mint a Bizalom, az Oscar-díjas Mephisto, majd a trilógia további két része: a Redl ezredes és a Hanussen, aztán azÉdes Emma, drága Böbe, a Találkozás Vénusszal, A napfény íze, a Szembesítés, a Csodálatos Júlia és a Rokonok. Néhány éve azt mondta, ma már rendezőnek tekinti magát, de ha adódna lehetőség, Szabó Istvánnal, de csak vele szívesen dolgozna operatőrként. Erre tavaly került sor, a Zárójelentés című filmet készítették együtt, az alkotás főszerepeit Klaus Maria Brandauer és Eperjes Károly alakította.

Az 1980-as évek közepétől dolgozott az Egyesült Államokban is, ahová a magyar származású Luis Mandoki hívta. Amerikában fényképezte többek között a Ha a férfi igazán szeret és A gyönyör rabjai című filmeket. Az olasz Giuseppe Tornatore rendezővel készítette Az óceánjáró zongorista legendája című filmet, majd a Monica Bellucci főszereplésével forgatott Malenát.

Koltai Lajos kiválóan alkalmazza a sötét és világos tónusokat, a belső terek megvilágításában a világon a legjobbak közé tartozik.

Különleges ismerője a fénynek, képeivel megteremti a film alaphangulatát – elég akár a Bizalom szobájának fényeire vagy a Redl ezredes kékes színeire, a Megáll az idő neonfényeire, az óceánjáró zongorista szemében tükröződő képre emlékeztetni. Kamerája egy-egy képből bontja ki a történetet, egy-egy tónussal lélekábrázolásra képes. Az általa kidolgozott megvilágosítási eljárást a szakmában csak „lajosing” néven emlegetik. Egy-egy munka előtt mindig annak magját akarja megtalálni, s csak a helyszín ismeretében érzi meg a film hangulatát. Mint mondja, ahhoz, hogy valaki jó operatőr legyen, a technikai tudás nem elég, az is szükséges, hogy annak, aki a kamera mögött áll, legyen véleménye a világról, és azt próbálja is meg közvetíteni másoknak.

Első filmjét 2004-ben rendezte az irodalmi Nobel-díjas Kertész Imre Sorstalanság című regényéből, 

az operatőr Pados Gyula volt. Következő filmje rendezőként három évvel később az Este volt, amely Susan Minot világsikerű regénye alapján készült, s olyan sztárok játszották benne a főszerepet, mint Glenn Close, Meryl Streep és Vanessa Redgrave.

Művészi munkássága elismeréseként 1977-ben Balázs Béla-díjat kapott, 1982-ben érdemes művész lett, a Kossuth-díjat 1985-ben vehette át. 1999-ben az olasz filmek legjobb operatőrének járó Donatello-díjjal tüntették ki Az óceánjáró zongorista legendájáért, s neki ítélték az Európai Filmdíj legjobb operatőr kategóriadíját is. 2001-ben Oscar-díjra jelölték a Maléna operatőri munkálataiért, s ismét átvehette a Donatello-díjat. 2002-ben megkapta a Magyar Művészetért-díjat, 2010-ben Prima Primissima díjas lett, 2012-ben Budapest, 2018-ban Eger díszpolgárává avatták. Tagja az Oscar-díjat osztó Amerikai Filmakadémiának és az Amerikai Operatőrök Egyesületének, 2016-ban a Nemzet Művésze címmel is kitüntették. 2020-ban a Színház- és Filmművészeti Egyetemen a filmrendező művész mesterképző osztályvezetőjének kérték fel.

2004-ben A Koltai napló 2001–2003 címmel dokumentumfilm készült róla, 2001-ben A fény festője címmel adtak ki könyvet munkásságáról, s a Sorstalanság bemutatójával egy időben jelent meg Marx József filmkönyve a mű készítéséről és Koltai életpályájáról.