Après avoir été le plus jeune élève de l'École Nationale du Danemark, Thomas Vinterberg signe en 1993 Last Round, un court métrage de fin d'études nommé à l'Oscar l'année suivante. Cette même année, il réalise un autre court métrage (Le garcon qui marchait à reculons), auréolé du Prix du Public au Festival de Clermont-Ferrand.

C'est en 1995 que la carrière du jeune prodige prend réellement son essor. Avec son ami Lars von Trier, il fonde la charte et le mouvement Dogme95, lancé en réaction aux superproductions anglophones ultra-formatées et cherchant à revenir vers une forme artistique plus sobre et expressive.

Le Danois enchaîne sur la réalisation de son premier long métrage, Les Héros, chronique d'un père et sa fille vivement accueillie au Danemark qui ne sortira qu'en 2008 en France. En 1997, il accède à la renommée internationale avec Festen, premier film "Dogme" relatant une tragique réunion de famille. Le film, qui ne porte pas son nom au générique, est largement plébiscité par la critique, recevant notamment le Prix spécial du Jury à Cannes, en 1998.

En 2003, Thomas Vinterberg dirige Joaquin Phoenix et Claire Danes dans It's all about love, son premier film en langue anglaise. Il y met en scène la fuite et les retrouvailles amoureuses de deux anciens amants dans un futur proche et dangereux. Après cet épisode américain qui ne récolte qu'un succès mitigé, son fidèle collaborateur Lars von Trier lui propose de tourner un scénario qu'il a écrit (Dear Wendy, 2005), où il dépeint un groupe de jeunes pacifistes obsédés par les armes à feu.

Malheureusement, ce film est un nouvel échec commercial, tout comme son suivant, En mand kommer hjem (2007). Les spectateurs découvrent en 2010 Submarino, un drame autour des déchirures familiales et des enfances brisées, présenté cette année-là en compétition à la Berlinale.

Il faut cependant attendre 2012 pour que le cinéaste renoue avec ses premières amours et redonne ses lettres de noblesse à sa réputation : en présentant son brillant La Chasse au Festival de Cannes - ou comment le mensonge d'une enfant précipite la chute d'un brave homme accusé de pédophilie - il permet à Mads Mikkelsen de repartir avec le prix d'Interprétation Masculine.

En 2013, Thomas Vinterberg préside pour la première fois le Jury de la catégorie Un certain regard du célèbre festival français auquel il est habitué. Après trois ans d'absence, le cinéaste danois revient avec Loin de la foule déchaînée, nouvelle adaptation du classique de Thomas Hardy. Pour cette réalisation en langue anglaise, il s'entoure d'un casting prestigieux emmené par Carey Mulligan, Matthias Schoenaerts, Michael Sheen et Tom Sturridge.

Suite à cette nouvelle parenthèse anglo-saxonne, Thomas Vinterberg retrouve de nouveau le cinéma danois avec The Commune, film aux accents autobiographiques centré sur une communauté académique danoise des années 1970 et dans lequel il fait à nouveau équipe avec Ulrich Thomsen et Trine Dyrholm. Il s'essaye en 2018 au film de sous-marin avec Kursk, emmené par Matthias Schoenaerts, Colin Firth et Léa Seydoux.

En 2020, Thomas Vinterberg livre Drunk, sur quatre amis qui décident de boire en continu pour améliorer leur vie. Pour l'occasion, le cinéaste s'entoure de ses acteurs fétiches Mads Mikkelsen et Thomas Bo Larsen, accompagnés de Magnus Millang et Lars Ranthe. Très bien reçue par la critique, cette comédie dramatique est sélectionnée en Compétition au Festival de Cannes et reçoit le César et l'Oscar du Meilleur film étranger.