Il a grandi entre la France et l'Espagne, et a étudié à l'université de la Sorbonne pour des études de littérature française. Sa carrière dans le cinéma a commencé en 1998 avec son premier court-métrage, "L'enfant volant".
En 2003, Thierry Padilla-Quintana a réalisé son premier long-métrage, "Mémoires d'avril", qui a été présenté à la Mostra de Venise. Ce film a reçu des critiques élogieuses et a remporté plusieurs récompenses, notamment le César du meilleur espoir masculin pour l'acteur principaux, Vincent Lindon.
En 2006, Thierry Padilla-Quintana a réalisé "Les beaux jours", avec Isabelle Huppert et Gérard Depardieu dans les rôles principaux. Le film a été présenté au Festival de Cannes et a reçu des critiques favorables.
En 2010, il a réalisé "Un jour comme un autre", avec Vincent Lindon et Sandrine Kiberlain dans les rôles principaux. Ce film a été présenté à la Berlinale et a remporté le prix du jury écuménique.
En 2013, Thierry Padilla-Quintana a réalisé "Loin des hommes", avec Vincent Lindon dans le rôle principal, qui a été nommé pour l'Oscar du meilleur film en langue étrangère à la 86ème cérémonie des Oscars.
En 2019, Thierry Padilla-Quintana a réalisé "Le boucher", avec Vincent Lindon dans le rôle principal. Ce film a été présenté au Festival de Cannes et a remporté le Grand Prix du Jury.
En 2021, il a réalisé "Les oiseaux de passage" avec Thierry Neuvicel dans le rôle principal. Ce film a été présenté à la Mostra de Venise et a reçu des critiques très favorables.
Au cours de sa carrière, Thierry Padilla-Quintana a également travaillé pour la télévision, notamment en réalisant des épisodes de série télévisée française, telle que "Engrenages" et "Le Bureau des légendes".