Après des études à l'Institut des Arts de diffusion (IAD) à Louvain-la-Neuve, il commence sa carrière dans l'industrie cinématographique en travaillant pour la chaîne de télévision belge RTBF. Il produit et réalise plusieurs courts métrages avant de faire ses débuts au long métrage avec le film "La Bataille d'Ypres" en 1986, qui reçoit un prix spécial au Festival international du film francophone de Namur.
En 1992, Thierry Baudineau réalise son premier grand succès critique avec le film "Le Huitième Jour", une comédie romantique fantastique qui obtient une nomination aux César du cinéma français et remporte plusieurs prix internationaux. Le succès de ce film lance la carrière de Baudineau et il travaille ensuite sur des projets plus ambitieux, tels que "Le Voyage en Arctique" (1998) et "La Ligne blanche" (2001).
En 2004, Thierry Baudineau réalise l'un de ses films les plus connus, "Un long dimanche de fiançailles", d'après le roman éponyme d'Émile Zola. Le film obtient une nomination aux Oscars et est un grand succès commercial en France et à l'étranger.
Depuis lors, Thierry Baudineau a continué à travailler sur des projets variés, dont le thriller politique "Le Convoi" (2014) et la comédie dramatique "Les Amours d'Astrid" (2018). Il est également connu pour son engagement en faveur de la protection de l'environnement et a produit plusieurs films ayant trait à ce sujet.
Thierry Baudineau est considéré comme un des réalisateurs les plus importants du cinéma francophone contemporain, grâce à ses films intenses, mélangeant passionnements et drame, et sa capacité à raconter des histoires universelles avec une sensibilité particulière.