Sorti de faculté, Dominique Pinon choisit de devenir comédien. A Paris, il s'inscrit au cours Simon, puis rencontre Arthur Joffe, qui le fait débuter en 1980 dans son premier court métrage, La Découverte.

Remarqué par le directeur de casting Dominique Besnehard, qui lui présente Jean-Jacques Beineix, Dominique Pinon obtient son premier rôle au cinéma dans Diva (1981), où il incarne un tueur cynique au crâne rasé. Cette étiquette de personnage marginal et décalé lui collera longtemps à la peau et sa "gueule" de cinéma et son physique atypique le cantonnera pendant quelques années à des seconds rôles. Frère alcoolique de Gérard Depardieu dans La Lune dans le caniveau, où il retrouve Beineix, il interprète un tueur dans Tir groupé, un zonard dans Le Thé à la menthe, un clochard dans La Légende du saint buveur et un vagabond dans Frantic.

En 1983, Dominique Pinon est nommé au César du Meilleur jeune espoir masculin pour Le Retour de Martin Guerre, où il incarne un paysan un peu obtus, mais c'est en 1991 que sa carrière cinématographique décolle véritablement avec le Delicatessen de Marc Caro et Jean-Pierre Jeunet : il y interprète le rôle principal, personnage lunaire amoureux de Marie-Laure Dougnac. Dès lors très courtisé, il s'illustre dans Les Arcandiers et Je m'appelle Victor, puis incarne un jeune psychotique dans La Cavale des fous.

En 1995, Dominique Pinon est de nouveau en tête d'affiche avec le second film de Caro et Jeunet, La cité des enfants perdus. Il y joue pas moins de cinq rôles : quatre frères, clones parfaits, et leur géniteur, un scaphandrier, ex-savant fou devenu amnésique, reclu au fond d'un port. Il poursuit deux ans plus tard sa collaboration avec Jeunet dans Alien, la résurrection, face à Sigourney Weaver.

Durant les années 1990-2000, il passe aisément du drame (Se souvenir des belles choses) à la comédie (Quasimodo d'el Paris, Bienvenue chez les Rozes, Musée haut, musée bas), du policier (Crimes à Oxford, Roman de gare) aux films dégantés (Dikkenek) et des films intimistes (Dante 01, Humains) aux films chorals (Ces amours-là). Mais c’est encore chez Jean-Pierre Jeunet qu’il est le plus à l’aise, puisqu’il est présent au générique des plus grands succès du metteur en scène (Le Fabuleux destin d'Amélie Poulain, Un Long Dimanche De Fiancailles et Micmacs à tire-larigot).

Acteur polyvalent, Dominique Pinon joue sur tous les fronts. En dehors du cinéma, il est très présent au théâtre et obtient le Molière du Meilleur comédien, en 2004. Il tourne aussi pour la télévision (Au siècle de Maupassant : Contes et nouvelles du XIXe siècle, Colère...) et apparaît dans de nombreux courts métrages (Paradisiaque, L' eau vive).

En 2011, après quelques années passées à jouer les seconds rôles, il tient la tête d'affiche de deux films : Ni à vendre, ni à louer, une comédie de Pascal Rabaté et Crédit pour tous, réalisé par un de ses réalisateurs fétiches, Jean-Pierre Mocky.