Né en 1977, Felix Van Groeningen développe très tôt une passion pour le cinéma, et notamment la mise en scène. Une fois ses études secondaires achevées, il intègre l'Académie royale des beaux-arts (KASK) de sa ville natale, Gand (située en région flamande), dont il sort diplômé en 2000. Il commence alors par écrire et réaliser le court métrage 50CC qui reçoit, en 2004, le prix Joseph Plateau du meilleur film belge. Fort de ce premier essai concluant, le jeune réalisateur passe au long métrage et met en scène Dagen Zonder Lief en 2006, une comédie dramatique dans laquelle la vie d'un groupe d'amis est perturbée par le retour de l'un d'entre eux après plusieurs années d'absence.
En 2009, sa notoriété s’accentue lorsque sort son second long métrage, La Merditude des choses, adapté du roman autobiographique du même nom écrit par Dimitri Verhulst. Centré sur un garçon de 13 ans qui partage le toit de sa grand-mère avec son père et ses trois oncles dans un climat de beuveries effrénées, cette plongée à la fois drôle, trash et émouvante dans la Belgique profonde séduit aussi bien le public que la critique. Pour preuve : le film est sélectionné, quelques mois avant sa sortie, à la Quinzaine des réalisateurs du Festival de Cannes où il remporte le Prix Art et Essai de la CICAE.
Felix Van Groeningen revient, quatre ans plus tard, avec Alabama Monroe, un long métrage au sujet beaucoup plus grave, puisqu'il parle d'un couple vivant une histoire d'amour passionnée mais qui voit son bonheur partir en fumée lorsque sa fille développe un cancer. Parmi ses diverses prestigieuses récompenses, Alabama Monroe obtient le César du Meilleur film étranger. Le drame est également sélectionné aux Oscars 2014 dans la catégorie Meilleur film en langue étrangère, mais c'est La Grande Bellezza qui est auréolé de la prestigieuse statuette.
En 2016, Felix Van Groeningen réalise Belgica, son cinquième long métrage qui a l'honneur d'être présenté en première mondiale à Sundance, où il remporte le prix de la meilleure réalisation dans la catégorie "World dramatique". Ce film, qui fait à nouveau la part belle à des scènes de fêtes excessives, est en partie basé sur le vécu du réalisateur, puisque son père avait fondé et tenu un bar branché. Belgica permet par ailleurs à Groeningen de collaborer à nouveau avec Johan Heldenbergh, qui jouait l'un des deux personnages principaux d'Alabama Monroe.
Avide de nouveaux défis, Felix Van Groeningen décide, pour son nouveau projet, de tenter l'expérience américaine. Il réalise ainsi My Beautiful Boy, emmené par le comédien confirmé Steve Carell et le jeune acteur très à la mode Timothée Chalamet, révélé par Call Me By Your Name. Adapté d'une histoire vraie, le film relate le parcours chaotique de Nicolas Sheff, un jeune homme de bonne famille qui développe une forte dépendance à la drogue. Son père décide alors de tout faire pour lui venir en aide. Présenté dans les festivals de Toronto et Saint-Sebastian, My Beautiful Boy permet à Felix Van Groeningen de parler de son thème de prédilection : les rapports familiaux ébranlés par des malheurs.