Thomas Vinterberg est né à Copenhague en 1969. En 1993, il sort de l'école de Cinéma Danois avec son film de fin d'études "Sidste Omgeng" ("Dernier Tour"), qui a reçu le Prix du Jury et des Producteurs au Festival International du Film Etudiant de Munich et ensuite le Premier Prix de Tel Aviv. Le film est nominé pour un Oscar du Meilleur Court-Métrage en 1994.
La même année,
Thomas Vinterberg réalise le téléfilm
Slaget Paa Tasken pour DRTV (Danish Broadcasting), puis le court-métrage
Drengen der Gik Baglaens (" Le Garçon qui marchait à reculons "), produit par Nimbus Film en 1994. Le film a été primé partout dans le monde, entre autres au Nordisk Panorama en Islande, au Festival du Court-Métrage à Clermont Ferrand et au Festival International du Film de Toronto.
Les Héros est le premier long-métrage de Thomas Vinterberg, écrit en collaboration avec Bo Hr. Hansen, tout comme Sidste Omgang et Drengen Der Gik Baglaens. Ce premier long-métrage a été présenté en France au Festival du Film Nordique de Rouen puis au Festival Tous Courts d'Aix en Provence. C'est en étant sélectionné en compétition officielle au Festival du Film de Cannes en 1998 puis en remportant le Prix du Jury que Thomas Vinterberg acquiert, avec Festen, une notoriété internationale.
En 2003, il achève la réalisation de son premier long-métrage réalisé intégralement en anglais, It'S All About Love. Il enchaîne ensuite avec Dear Wendy, When A Man Comes Home et Submarino.
En 2012, son film La Chasse permet à Thomas Vinterberg de fouler le tapis rouge de la croisette puisqu'il reçoit le Prix du Jury Oecuménique lors du 65ème Festival International Du Film De Cannes 2012.
L'année suivante, il est président du jury de la section Un Certain Regard du 66ème Festival International Du Film De Cannes 2013. 
