Dominique Pinon choisit de devenir comédien après ses études de lettres. Il s'installe à Paris et s'inscrit au cours d'art dramatique de René Simon. Il débute une carrière au théâtre jusqu'au jour où l'agent artistique Dominique Besnehard le présente au cinéaste Jean-Jacques Beineix.
Dominique Pinon est ce que l'on appelle une " gueule ". Visage anguleux, lèvres charnues, petit et nerveux, il s'illustre dans des rôles de truands ou de marginaux, mais son talent lui permet d'interpréter des personnages plus sensibles. Il débute à l'écran en tueur au crâne rasé dans Diva (1980) de Jean-Jacques Beineix. Son interprétation d'un paysan dans Le Retour de Martin Guerre (1981) de Daniel Vigne lui vaut une nomination aux césars comme meilleur espoir masculin. Il retrouve Beineix en 1982 pour La Lune dans le caniveau, où il joue le frère alcoolique de Gérard Depardieu, et trois ans plus tard pour 37°2 le matin (1986). Sa palette est large. Employé dans des seconds rôles, il montre l'étendue de son talent par le truchement de personnages décalés, du tueur de Tir groupé (1982) de Jean-Claude Missiaen au vagabond de Frantic (1987) de Roman Polanski, en passant par le clochard de La Légende du Saint Buveur (1988) d'Ermanno Olmi ou par le singe de bande dessinée de Nemo (1983) d'Arnaud Sélignac.
En 1990, il accède à la renommée avec le succès de Delicatessen de Marc Caro et Jean-Pierre Jeunet, où il interprète un clown timide et sensible. Caro et Jeunet font de nouveau appel à ses services pour leur deuxième film, La Cité des enfants perdus (1994), où il incarne cinq personnages à la fois. Puis Jean-Pierre Jeunet l'impose dans la distribution du quatrième volet d'Alien resurrection (1997). Entre-temps, Dominique Pinon apparaît dans des premiers films : Août d'Henri Herré (1991), Les Arcandiers de Manuel Sanchez (1991).
En 2000, il retrouve Jeunet pour Le fabuleux destin d'Amélie Poulain où il campe le personnage de Joseph, un " pilier de comptoir " malheureux et maladivement jaloux. Il collabore encore avec Jeunet dans Un long dimanche de fiançailles (2003) et Micmacs à tire-larigot (2008).
L'éclectisme de Pinon le fait jouer dans de franches comédies comme Quasimodo del Paris (Patrick Timsit, 1999), Bienvenue chez les Roses (Françis Palluau, 2002), Dikkenek (Olivier Van Hofstadt, 2005) ou La loi de Murphy (Christophe Campos (2009). Il s'essaye aussi au drame, avec le film de Zabou Breitman Se souvenir des belles choses (2001), conte délicat sur la maladie d'Alzheimer ; au film historique avec Le Pont du Roi saint Louis (Mary McGukian, 2003) ; au thriller avec Crimes à Oxford (Alex de la Iglesia, 2007) ; Alien lui a même donné le goût de la science-fiction, il tourne en 2006 dans Dante 01 de Marc Caro.
Depuis les années 80, Dominique Pinon s'illustre très souvent au théâtre. Il a joué entre autres dans des pièces de Pirandello, Novarina, Shakespeare, Beckett ou Topor. Il remporte le Molière du Meilleur comédien en 2004, pour son interprétation de Dragomir dans L'Hiver sous la table de Roland Topor.
Courts métrages 1980 | Découverte (La) | Arthur Joffé |
| 1981 | Un arbre, une pierre, un nuage | Christine Van de Putte |
| 1982 | Il est trop tard pour rien | Pierre Novion |
| 1982 | Merlin ou le cours de l'or | Arthur Joffé |
| 1984 | Mon inconnue | Philippe Harel |
| 1984 | Quiz | Jérôme George |
| 1985 | Cyril Tourneur | Jean-Pierre Gras |
| 1987 | Chamane | Thomas Gilou |
| 1987 | Voix du désert (La) | Jean-Michel Roux |
| 1988 | Anaon | François-Renaud Labarthe |
| 1989 | Foutaises | Jean-Pierre Jeunet |
| 1989 | Trouble | Yannick Saillet |
| 1990 | Mandragore (La) | Aziz Lamzouris |
| 1991 | 25 décembre 58, 10 H 36 | Diane Bertrand |
| 1991 | Illuminé (L') | Philippe Barcouzareaud |
| 1992 | Memento | Jean-Max Peteau |
| 1993 | Stella plage | Elisabeth Prouvost |
| 1994 | KO kid | Marc Caro |
| 1997 | Photomaton | Philippe Dorison |
| 2000 | Pilot (Der) | Oliver Seiter |
| 2000 | Vestiaire obligatoire | Bertrand Stephant-Andrews |
| 2001 | Putain, la vieille faut pas l'énerver ! | Abel Ferry |
| 2003 | Europa | Carlo Avventi, Christophe Bruncher |
| 2004 | Bon, la brute et les zombies (Le) | Abel Ferry |
| 2004 | Lift | Hugues Dalton, Jeff Garton |
| 2006 | Busker | David Wigram |
| 2007 | Praline (La) | Jean-Baptiste Chuat |
| 2008 | Seared | James Nicholas Fuller |
| 2009 | Domino(S) | Charles Poupot |
Longs métrages| 2009 | Morris : A life with bells on | Lucy Akhurst |
| 1980 | Diva | Jean-Jacques Beineix |
| 1981 | Retour de Martin Guerre (Le) | Daniel Vigne |
| 1982 | Lune dans le caniveau (La) | Jean-Jacques Beineix |
| 1982 | Si j'avais mille ans | Monique Enckell |
| 1982 | Tir groupé | Jean-Claude Missiaen |
| 1983 | Ghost Gance Ghost Dance | Ken McMullen |
| 1983 | Nemo | Arnaud Sélignac |
| 1984 | Partir, revenir | Claude Lelouch |
| 1984 | Téléphone sonne toujours deux fois (Le) | Jean-Pierre Vergne |
| 1984 | Thé à la menthe (Le) | Abdelkrim Bahloul |
| 1985 | Baston (La) | Jean-Claude Missiaen |
| 1985 | Cent francs l'amour | Jacques Richard |
| 1985 | Sauve-toi Lola | Michel Drach |
| 1985 | Suivez mon regard | Jean Curtelin |
| 1986 | 37°2 le matin | Jean-Jacques Beineix |
| 1986 | Teufels Paradies (Des) | Vadim Glowna |
| 1987 | Frantic | Roman Polanski |
| 1988 | Leggenda del santo bevitore (La) Légende du saint buveur | Ermanno Olmi |
| 1989 | 1871 | Ken McMullen |
| 1989 | Révolution Française : Les années lumière (La) | Robert Enrico |
| 1990 | Alberto express | Arthur Joffé |
| 1990 | Bleu marine | Jean-Claude Riga |
| 1990 | Delicatessen | Marc Caro, Jean-Pierre Jeunet |
| 1991 | Août | Henri Herré |
| 1991 | Arcandiers (Les) | Manuel Sanchez |
| 1992 | Cavale des fous (La) | Marco Pico |
| 1992 | Je m'appelle Victor | Guy Jacques |
| 1994 | Cité des enfants perdus (La) | Jean-Pierre Jeunet |
| 1995 | Mordbüro | Lionel Kopp |
| 1995 | Un samedi sur la terre | Diane Bertrand |
| 1996 | Violetta, la reine de la moto | Guy Jacques |
| 1997 | Alien - Resurrection Alien, la résurrection | Jean-Pierre Jeunet |
| 1998 | Comme un poisson hors de l'eau | Hervé Hadmar |
| 1998 | Quasimodo d'el Paris | Patrick Timsit |
| 1999 | Sabotage ! | Esteban Ibarretxe, José Miguel Ibarretxe |
| 1999 | Sur un air d'autoroute | Thierry Boscheron |
| 2000 | Fabuleux destin d'Amélie Poulain (Le) | Jean-Pierre Jeunet |
| 2001 | Se souvenir des belles choses | Zabou Breitman |
| 2002 | Bienvenue chez les Rozes | Francis Palluau |
| 2002 | Gran aventura de Mortadelo y Filemon (La) | Javier Fesser |
| 2003 | Ne quittez pas ! | Arthur Joffé |
| 2003 | Puente de San Luis Rey (El) Le Pont du roi Saint-Louis | Mary McGuckian |
| 2003 | Racing Stripes Zig-zag | Frederik Du Chau |
| 2003 | Un long dimanche de fiançailles | Jean-Pierre Jeunet |
| 2004 | Camping à la ferme | Jean-Pierre Sinapi |
| 2004 | Darkhunters | Johannes Roberts |
| 2004 | Hellbreeder | James Eaves, Johannes Roberts |
| 2004 | Ze film | Guy Jacques |
| 2005 | Dikkenek | Olivier Van Hoofstadt |
| 2005 | Masz na imie Justyna | Franco de Peña |
| 2006 | Dante 01 | Marc Caro |
| 2006 | Roman de gare | Claude Lelouch |
| 2007 | Luna en botella (La) | Eduardo Giménez Rojo |
| 2007 | Midsummer Madness | Alexander Hahn |
| 2007 | Musée haut, musée bas | Jean-Michel Ribes |
| 2007 | Oxford Crimes Crimes à Oxford | Álex de la Iglesia |
| 2008 | Humains | Jacques-Olivier Molon, Pierre-Olivier Thévenin |
| 2008 | Micmacs à tire-larigot | Jean-Pierre Jeunet |
| 2009 | An Organization of Dreams | Ken McMullen |
| 2009 | Ces amours-là | Claude Lelouch |
| 2009 | Loi de Murphy (La) | Christophe Campos |
| 2009 | Mumu | Joël Séria |
| 2009 | Orpheline avec en plus un bras en moins (L') | Jacques Richard |
| 2010 | Crédit pour tous | Jean-Pierre Mocky |
| 2010 | Ni à vendre, ni à louer | Pascal Rabaté |
| 2012 | Extravagant voyage du jeune et prodigieux T.S. Spivet (L') | Jean-Pierre Jeunet |
| 2012 | Profs (Les) | Pierre-François Martin-Laval |
| 2013 | Brèves de comptoir | Jean-Michel Ribes |
| 2013 | My Old Lady | Israel Horovitz |
| 2014 | A love you | Paul Lefèvre |
| 2014 | Feu sacré (Le) | Arthur Joffé |
| 2015 | Dormeuse Duval (La) | Manuel Sanchez |
| 2015 | Folle histoire de Max et Léon (La) | Jonathan Barré |
| 2016 | Croc-Blanc | Alexandre Espigares |
| 2016 | D'après une histoire vraie | Roman Polanski |
| 2016 | Vive la crise ! | Jean-François Davy |
| 2018 | Donne-moi des ailes | Nicolas Vanier |
| 2018 | Edmond | Alexis Michalik |
| 2019 | Cosmética del enemigo A Perfect Enemy | Kike Maíllo |
| 2020 | BigBug | Jean-Pierre Jeunet |