Veerle Baetens grandit dans la province d'Anvers. Elle étudie le piano dans une école de musique ainsi que le théâtre musical à l'Institut supérieur d'art dramatique de Bruxelles et ne tarde pas à obtenir des rôles dans des séries télévisées et des films à partir du début des années 2000. En 2007, la jeune femme est choisie pour camper le rôle-titre de la série Sara (2007-2008), une version flamande de Ugly Betty. Ce personnage principal lui permet de remporter le prix de la meilleure actrice aux Vlaamse Televisie Sterren, une cérémonie flamande.

Très active sur le petit écran, Veerle Baetens joue ensuite Hannah Mae dans la série Code 37 (2009-2012), nouvelle capitaine de la brigade des moeurs au sein du département de police de Gand en Belgique. Unique femme de son équipe, son autorité et ses compétences sont contestées dès son arrivée. Elle doit donc se battre pour gagner le respect de ses collègues. En 2015, l'actrice intègre la série européenne The Team qui suit une équipe d'enquêteurs d'Europol qui combat le crime organisé.  

Parallèlement à cette forte activité télévisuelle, Veerle Baetens s'illustre dans plusieurs films belges, mais se fait surtout remarquer en 2013 avec le long-métrage Alabama Monroe de Felix Van Groeningen qui remporte le César du meilleur film étranger. Veerle Baetens y interprète Elise, une tatoueuse professionnelle qui vit une histoire d'amour passionnée avec Didier, un joueur de banjo dans un groupe de bluegrass. Sa prestation est récompensée par plusieurs prix.

L'oeuvre de Felix van Groeningen lui permet également de se faire connaître au niveau international. Ainsi, Un début prometteur (2015), réalisé par Emma Luchini, est le premier film français dans lequel l'actrice joue. Elle y interprète le rôle de Mathilde, une jeune femme qui va venir chambouler la vie paisible de deux frères joués par Manu Payet et Zacharie Chasseriaud. 

Veerle Baetens n'est pas simplement actrice, mais est aussi chanteuse. Un talent que nous avons pu voir dans Alabama Monroe. En 2012, elle se lance ainsi dans la musique et fonde un groupe nommé Dallas avec son amie Sandrine Collard. Les deux jeunes femmes sortent un album la même année et l'une de leurs chansons figure sur la bande originale du film de Felix van Groeningen.