Après quelques années de faculté, Dominique Pinon choisit de devenir comédien. Monté à Paris, il s'inscrit au cours Simon, puis rencontre Arthur Joffe, qui le fait débuter en 1980 dans son premier court métrage, La découverte, et qu'il retrouvera par la suite pour Merlin ou le cours de l'or, Alberto Express, et Ne quittez pas !. Remarqué par le responsable de casting Dominique Besnehard, qui lui présente Jean-Jacques Beineix, Dominique Pinon obtient son premier rôle dans un long métrage avec Diva (1981), où il incarne un tueur cynique au crâne rasé. Cette étiquette de personnage marginal et décalé lui collera longtemps à la peau. Sa vraie "gueule" de cinéma et son physique atypique le cantonnent pendant quelques années à des seconds rôles. Frère alcoolique de Gérard Depardieu dans La Lune dans le caniveau, où il retrouve Jean-Jacques Beineix, il interprète un tueur dans Tir groupé, un zonard dans Le Thé à la menthe, un clochard dans La Legende du saint buveur et un vagabond dans Frantic.En 1983, il est nommé au César du Meilleur Jeune Espoir masculin pour Le Retour de Martin Guerre, film dans lequel il incarne un paysan un peu obtus, mais c'est en 1991 que sa carrière cinématographique fait un bond en avant avec Delicatessen, premier long métrage de Marc Caro et Jean-Pierre Jeunet. Dominique Pinon y interprète le rôle principal, personnage lunaire, amoureux de Marie-Laure Dougnac. Il enchaîne alors des rôles importants dans quelques premiers films qui font appel à la diversité de son talent (Les Arcandiers, Je m'appelle Victor), puis incarne un jeune psychotique dans La Cavale des fous aux côtés de Pierre Richard.En 1995, son nom est de nouveau en tête d'affiche avec le second film de Caro et Jeunet, La cité des enfants perdus, qui fait l'ouverture du 48e Festival de Cannes. Dominique Pinon y joue pas moins de cinq rôles : quatre frères, clones parfaits, et leur géniteur, un scaphandrier, ex-savant fou devenu amnésique, reclu au fond d'un port. Il poursuit deux ans plus tard sa collaboration avec Jean-Pierre Jeunet dans Alien, la resurrection, face à Sigourney Weaver (qui l'imposa à la production) et Winona Ryder, puis dans Le Fabuleux destin d'Amélie Poulain, avant de rejoindre le casting pléthorique du Long dimanche de fiançailles de son réalisateur fétiche.Entretemps, cet acteur polyvalent exerce ses talents dans des productions européennes (un court-métrage allemand, plusieurs petits films anglais), et dans les registres les plus divers (Quasimodo d'el Paris, Comme un poisson hors de l'eau, Ze Film, ou encore Le Pont du roi Saint-Louis, aux côtés de Robert De Niro et Harvey Keitel).
En 2011, après quelques années passées à jouer les seconds rôles, il tient la tête d'affiche de deux films : Ni à vendre, ni à louer, une comédie de Pascal Rabaté et Crédit pour tous, réalisé par un de ses réalisateurs fétiches, Jean-Pierre Mocky.
