Il a grandi à Courtrai, où il a été influencé par la culture belge flamande. Après des études de cinéma à l'Institut national supérieur des arts du spectacle et des techniques de Bruxelles, il est venu s'installer à Paris, dans les années 1980.
Son premier long-métrage, "La Voix humaine" (2006), est une adaptation du drame radiophonique de Jean Cocteau. Le film a été présenté en sélection officielle au Festival de Cannes et a reçu le César du meilleur premier film.
En 2011, il réalise "Polissons", qui connaît un grand succès critique et commercial. Il s'agit d'une comédie sur les relations entre l'humanité et la technologie, avec une bande-son originale composée par Erik Satie.
En 2016, il réalise "Le Sage", qui met en scène une nouvelle version de l'histoire de la création du monde, racontée à travers le prisme de la philosophie grecque. Le film a été sélectionné au Festival de Cannes et a reçu le Grand Prix du Jury au Festival international du film de Toronto.
En 2019, Eustache Philippe réalise "La Lumière", une adaptation du roman "Les Mouches" d'Arthur Schnitzler. Le film est présenté en sélection officielle au Festival de Cannes et a reçu un César du meilleur scénario original.
Eustache Philippe est également connu pour ses collaborations avec des musiciens tels que Erik Satie, Arvo Pärt, Giuseppe Verdi et Jean-Baptiste Lully. Il est l'un des rares réalisateurs à utiliser exclusivement la musique classique dans ses films.
En 2021, il réalise "L'Œil", un film autobiographique sur sa propre vie et son parcours cinématographique. Le film a été sélectionné au Festival de Cannes et a reçu le Grand Prix du Jury au Festival international du film de Toronto.