Aunque se conservan fragmentos de guiones suyos que parecen remontarse a 1944, Altolaguirre no empezó a trabajar en el cine hasta 1946, cuando fue contratado como guionista por la Panamerican Film. Colaboró en una adaptación de La casa de la Troya, que se estrenó en 1947. También escribió el guión de un homenaje a Cervantes con motivo del centenario de su nacimiento: El rufián dichoso. La experiencia con la Panamerican duró poco, ya que, al año, la productora quebró. Acompañado a veces por Concha Méndez y por su hija Paloma, Altolaguirre se dedicó entonces a recorrer la provincia mexicana con un cine ambulante.

Tras su reconciliación con Gómez Mena, Altolaguirre pudo volver a trabajar en el cine y no sólo como guionista. A principios de 1950 los dos fundaron la compañía cinematográfica Producciones Isla, cuyos primeros títulos incluyeron Yo quiero ser tonta (1950), Doña Clarines (1951), El puerto de los siete vicios (1952), Subida al cielo (1952), Prisionera del recuerdo (1952), Misericordia (1953) y Legítima defensa (1957). En varias de estas películas colaboraron como director Eduardo Ugarte y como guionista Egon Eis.

Subida al cielo fue la película de Producciones Isla que obtuvo más éxito. Dirigida por Luis Buñuel, el guión original fue obra del propio Altolaguirre. El escritor Juan de la Cabada adaptó los diálogos al contexto mexicano. La película concursó en el Festival de Cannes en el verano de 1952 y fue galardonada en París con el Premio de la Crítica. En México, Altolaguirre recibió el Ariel al mejor guión.

Los dos años que Altolaguirre y Gómez Mena pasaron en Cuba (1953-1955) dieron como resultado cinematográfico Los inmigrantes, Golpe de suerte y Cuando baila Trinidad (Leyenda musical de Cuba), tres películas cuyas cintas, por desgracia, no se conservan. Ya de regreso en México, el último gran proyecto cinematográfico de Altolaguirre fue su adaptación del comentario de fray Luis de León sobre El cantar de los cantares. La obra (de la que fue a la vez guionista y director) reflejaba la honda preocupación religiosa en que su vida ya para entonces se movía.

En julio de 1959 una primera versión de la cinta fue presentada, fuera de concurso pero con éxito, en el Festival de Cine de San Sebastián. El 23 de julio, de camino a Madrid, el coche en el que viajaban Altolaguirre y Gómez Mena volcó en las afueras de Cubo de Bureba, un pueblo cerca de Burgos. Gómez Mena murió casi en el acto; Altolaguirre, internado en un hospital, falleció tres días después. Los restos de ambos fueron sepultados en la Sacramental de San Justo, en Madrid.