Отец Горенштейна, профессор политэкономии, в 1935 году был арестован и погиб в лагерях. Во время войны мать с маленьким сыном отправилась в эвакуацию, умерла в дороге. Горенштейн попал в детский дом в городе Бердичеве, где провёл большую часть детства. Был чернорабочим, окончил Днепропетровский горный институт, до 1961 года работал инженером, затем учился в Москве на Высших сценарных курсах. Написал сценарии семнадцати фильмов, пять из которых были осуществлены. Среди них — «Солярис» (реж. Андрей Тарковский), «Раба любви» (реж. Никита Михалков), «Седьмая пуля» (реж. Али Хамраев), «Комедия ошибок» (реж. Вадим Гаузнер). Написал много произведений, из которых в СССР был опубликован только один рассказ, но сделавший ему имя, — «Дом с башенкой», в журнале «Юность» в 1962 году.
Принял участие в альманахе «Метрополь» (1979), в котором опубликована его повесть «Ступени». После этого вынужден был эмигрировать из СССР. С 1980 года жил в Вене, затем переехал в Западный Берлин. Его произведения печатались в нью-йоркском издательстве «Слово» и в эмигрантских журналах «Континент», «Синтаксис», «Грани», в берлинском журнале «Зеркало Загадок».
Умер в Берлине 2 марта 2002 года после тяжёлой болезни, не дожив нескольких дней до своего 70-летия. Похоронен на старейшем еврейском кладбище Weissensee.
