در 17 سالگی به سینما علاقه‌مند می‌شود و برای درک بهتر فیلم‌های روز به آموختن زبان انگلیسی می‌پردازد. تحصیلات مقدماتی را در تهران به پایان می برد و یک سال در هتل آتلانتیک مدیر می‌شود و سپس در بیست سالگی برای ادامهٔ تحصیل عازم آمریکا می شود. نخست به خواندن سینما روی می آورد اما خیلی زود سینما را رها کرده و به فلسفه می پردازد و سرانجام در سال 1344 از دانشگاه یو سی ال ای در لوس آنجلس موفق به اخذ لیسانس فلسفه می شود. در همین سال سردبیری نشریهٔ «پارس ریویو» در لوس‌آنجلس را به‌عهده می گیرد و سال بعد به تهران برمی گردد و در سال 1346 نخستین فیلم خود «الماس 33» که فیلمی بسیار پرهزینه بود را می سازد. این فیلم در 5 بهمن 1346 در تهران روی پرده رفت و فروش متوسطی داشت که با توجه به هزینهٔ بالای ساخت آن شکستی تجاری محسوب می‌شد و در ضمن در جلب توجه منتقدین نیز چندان موفق نبود.

در سال 1348 با همکاری غلامحسین ساعدی فیلمنامهٔ «گاو» را از روی یکی از داستان‌های کوتاه مجموعه‌ی «عزادارن بیل» نوشتهٔ ساعدی به رشته تحریر درآورد و فیلم را کارگردانی کرد. این فیلم برای مهرجویی و سینمای ایران جوایز متعددی را در جشنواره‌های بین‌المللی به ارمغان آورد. «گاو» هم از نظر تجاری هم از نظر هنری فیلم موفقی از کار درآمد و فصل جدیدی در سینمای ایران گشود.
مهرجویی ابتدا با فریال جواهریان ازدواج کرد که یکی از طراحان صحنه و لباس نامی سینمای ایران بود، حاصل این ازدواج دو فرزند با نامهای مریم و سفا بود اما این ازدواج با طلاق پایان گرفت. سپس با وحیده محمدی فر، فیلمنامه‌نویس، ازدواج کرد و حاصل این ازدواج دختری به نام مونا است.