1936年９月3日大阪生まれ。一光社、大阪コマーシャルフィルム、毎日放送映画社を経て、1963年プッペプロダクションを設立。東京ムービーの「ビッグX」「オバケのQ太郎」の各話演出を担当。 1966年、虫プロに招かれて上京し、「鉄腕アトム」「悟空の大冒険」などに参加した後、1967年、 (株)スタジオロータス設立。
数多くのCFを演出・制作し、IBA、クリオ等の国際賞を多数受賞。 また、「すばらしい世界旅行」「巨泉・前武のゲバゲバ90分」「カリキュラマシーン」「コント55号のなんでそうなるの」など各種ＴＶ番組のアニメーション演出で一世を風靡。

一方、「メイド・イン・ジャパン」(’72)「日本人」(’77)「ピカドン」(’78)などの短編アニメーションも精力的に制作、現実社会を偏りのない暖かい視点で見つめ、その鋭敏な感覚と芸術性は、国際的に高く評価されている。「メイド・イン・ジャパン」のニューヨーク国際映画祭グランプリをはじめ、全ての作品が世界各地の国際映画祭で受賞。晩年の作品に「最後の空襲くまがや」(’93)「ひろしくんは空がすき」(’94) があり、沖縄の歴史と人々をテーマにした短編「琉球王国 – MADE IN OKINAWA」の絵コンテを’95年夏に完成させた。木下蓮三の作品は、今日も世界中で招待上映され続けている。

制作と共に、木下は生涯、アニメーション界の発展と若い才能の育成に尽力し続けた。そして、アニメーションを芸術の一分野として、また、効果的なメディアの一つとして広めるべく、日本の短編アニメーションを海外に紹介し、同時に海外の優れた作品を日本の観客に紹介することに多くの時間と労力と私費を費やした。
1981年、国際アニメーションフィルム協会（ASIFA/本部フランス、アヌシー市）の日本支部を設立。 1985年、ASIFAが公認するアジアで唯一の広島国際アニメーションフェスティバルを企画、実現。長年にわたり、夫人の木下小夜子と共に、質の高い映画祭の基礎固めに努めた。第２回以降、映画祭副会長を歴任。1998年の第７回映画祭より、優れたインディペンデント作品を称える『木下蓮三賞』が設けられている。
短編映画全般への造詣も深く、その普及に努め、アニメーションのみならず短編およびドキュメンタリーの多くの国際映画祭に審査員として招かれた。

1979〜1997年、国際アニメーションフィルム協会(ASIFA、本部フランス・アヌシー市)理事。その内、 1984〜1997年は、ASIFA副会長を歴任。
1981年、ASIFA日本支部(ASIFA-JAPAN)を設立し、1981〜1997年、同会長を務めた。
1997年１月15日、永眠。
2006年、東京アニメフェアにて功労賞受賞。