Originaire de la région de Pessac, fief de Jean Eustache, Thomas Bardinet attend ses vingt ans pour partir à Paris et assouvir sa passion cinématographique. Il rentre à l'IDHEC (anciennement école de la Fémis) où il rencontre ses futurs amis et collaborateurs, Laurent Cantet, Vincent Dietschy, Dominik Moll et Gilles Marchand, avec qui il fonde Sérénade Productions.

Au sortir de son cursus, il se fait monteur pour les projets des autres, et notamment issus de Sérénade Productions, comme le premier film de Dominik Moll, Intimité en 1993, et Jeu de plage de Laurent Cantet en 1995. En parallèle de son modeste parcours, il réalise ses propres courts-métrages, dont Le Jour du bac pour lequel il obtient une reconnaissance certaine avec un Grand Prix au Festival de Clermont-Ferrand.

En 1996, Thomas Bardinet passe à l'étape au-dessus avec la réalisation du long métrage Le Cri de Tarzan. Mais il se fait surtout remarquer grâce au court métrage Soyons amis !, Prix Jean Vigo en 1997 et Grand prix de la Critique au Festival de Cannes en 1998. Rencontrant des difficultés financières, la société Sérénade Productions est mise en liquidation. Le réalisateur signe malgré tout son second long métrage, Les Ames câlines en 2001, pour lequel il offre à François Berléand un premier rôle remarqué en peintre séducteur fauché, libertin et philosophe face à la jeune Valérie Donzelli. Adepte d'un cinéma poétique et ludique, il n'hésite pas à cultiver cette liberté de ton et d'action en créant la société de production Les Films de la Capucine, bien qu'il ne soit pas producteur.

Aidé par sa collaboratrice et amie Laurine Pelassy dans cette nouvelle aventure, il met en chantier son troisième long-métrage, Les Petits poucets, qui marque un véritable tournant dans sa manière de faire du cinéma. Tourné en à peine deux semaines, ce film artisanal mais audacieux met en scène sa propre famille. Il profite du tournage pour réaliser un documentaire de 52 minutes, La Petite mêlée, sur les benjamins de l'école de rugby de Bègles. Passionné par cette nouvelle manière de tourner, sans équipe technique, plus légère et plus malléable, il réitère l'expérience en 2012 sur son nouveau long-métrage, un faux biopic, fantasmé et poétique, de la jeunesse du chanteur Nino Ferrer, intitulé Nino une adolescence imaginaire de Nino Ferrer.