Très jeune, Lars von Trier vénère les films de Dreyer et de Tarkovski. C'est en montrant ses deux courts métrages au Danish Film Institute, Le Jardinier d'orchidées et Menthe - la Bienheureuse, qu'il y est accepté comme étudiant en 1978. Il y réalise trois autres courts métrages, Nocturne, Le Dernier détail et Images d'une libération.

Il réalise par la suite de nombreux clips rock et spots publicitaires. Son premier long métrage, Element of Crime (1984), qui marque le début de sa collaboration avec son compatriote scénariste Niels Vorsel, est primé dans plusieurs festivals. Avec Epidemic (1988), il signe un film proche du cinéma expérimental.

En 1991, il clôt sa série de films, la trilogie en "E", ayant pour thèmes l'Europe et la perte de la personnalité avec Europa, dans lequel joue notamment son acteur fétiche Jean-Marc Barr. Par ailleurs, depuis cette même année, il décide de réaliser tous les ans un petit morceau de trois minutes de Dimension, un film qui suit les mêmes personnages sur plusieurs décennies et qui ne sortira qu'en 2024. Le réalisateur abandonne finalement le projet en 2010.

En 1992, il crée sa propre société de production intitulée Zentropa, ainsi que sa branche X, Puzzy Power, produisant des films pornographiques à destination des femmes. Deux ans plus tard, il se lance dans le tournage d'une série, L'Hôpital et ses fantômes, qui connaîtra une deuxième saison en 1997.

Avec Breaking the waves (1996), Lars von Trier débute une nouvelle trilogie, "Coeur d'or", issue d'un conte qu'il a lu enfant. Tourné entièrement caméra à l'épaule, ce mélodrame qui révèle Emily Watson fait sensation sur la Croisette, où il reçoit le Grand Prix du Jury.

En 1998, il imagine, avec d'autres compatriotes -dont Thomas Vinterberg, auteur de Festen-, le "Dogme", un catalogue de contraintes formelles (pas si loin de la blague de potaches) visant à promouvoir une mise en scène débarrassée de tout artifice. Les Idiots, réflexion sur la vie en communauté, est tourné selon ces préceptes. Il se lance ensuite dans Dancer in the dark, dernier volet de sa trilogie "Coeur d'or". Présenté en 2000 à Cannes, où von Trier a ses habitudes, ce mélo musical vaut à son héroïne, la chanteuse islandaise Björk, le Prix d'interprétation et au cinéaste la Palme d'Or.

S'il s'est imposé comme l'un des auteurs majeurs du cinéma européen, Lars von Trier n'en a pas fini avec sa frénésie d'expérimentation. Il s'attelle en 2003 à une nouvelle trilogie, dans laquelle il entend livrer sa vision iconoclaste de l'Amérique à travers le destin d'une jeune femme naïve nommée Grace.

Dans le premier volet, Dogville, elle a les traits de Nicole Kidman, tandis que dans le deuxième, Manderlay (2005), centré sur l'esclavage, le rôle est repris par Bryce Dallas Howard. Le projet et salué pour son audace formelle (les décors sont tracés au sol à la craie), mais l'imprévisible Danois décide de reporter le tournage du troisième volet, préférant réaliser une comédie noire à petit budget, Le Direktør. Il revient en 2009 sur le terrain de l'épouvante avec Antichrist, interprété par Willem Dafoe et Charlotte Gainsbourg.

Son propos semble s'adoucir avec Melancholia. Sur fond d’apocalypse, il réunit un casting international avec des acteurs prestigieux tels que Kirsten Dunst, Charlotte Gainsbourg, Charlotte Rampling, Stellan Skarsgard et son fils Alexander Skarsgård. Le film, présenté au Festival de Cannes 2011, émerveille la critique, mais suite à des propos douteux le réalisateur danois est exclu du Festival par les organisateurs. Malgré cette affaire, le film ne repart pas bredouille puisque Kirsten Dunst remporte le Prix d'interprétation féminine.

Fin 2011, Lars Von Trier annonce un nouveau projet suscitant déjà une nouvelle polémique : Nymphomaniac, long-métrage en deux parties qui raconte le parcours sexuel d'une femme jusqu'à ses 50 ans. Le casting est une nouvelle fois 5 étoiles, se composant de certains de ses acteurs habituels (Charlotte Gainsbourg, Stellan Skargard, Willem Dafoe, Udo Kier) et de petits nouveaux (Shia LaBoeuf, Jamie Bell, Connie Nielsen, Christian Slater, Uma Thurman...).

Son projet suivant s'appelle The House That Jack Built, d'abord imaginé comme une série en huit épisodes, mais qui devient un long métrage porté par Matt Dillon dans le rôle d'un tueur en série. Le film est présenté hors compétition au Festival de Cannes et sans conférence de presse.

En 2022, Lars von Trier tourne la troisième saison de L'Hôpital et ses fantômes et apprend qu'il est atteint de la maladie de Parkinson. Le tournage se poursuit, mais ses représentants annoncent qu'il prendra ensuite une pause dans sa carrière.