Thomas si laurea nel 1993 presso la Scuola Nazionale di Cinema danese presentando la sua prima opera, il corto "Last Round" ("Sidste omgang" ), con un buon successo di critica. Riceve infatti il premio della giuria e dei produttori al festival internazionale degli studenti di Monaco e il primo premio al festival del cinema di Tel Aviv. Diventa più noto al pubblico grazie al corto "The Boy Who Walked Backwards" (1994), storia di un ragazzo che, alla morte del fratello, scopre di avere la capacità di tornare indietro nel tempo. A questo fa seguire il thriller ad alta tensione "The Biggest Heroes" (De Største helte, 1996).
Vinterberg è uno dei fondatori di "Dogma 95", insieme a Lars Von Trier, una serie di regole, siglate appunto nel 1995 a Copenhagen, che alcuni registi hanno deciso di adottare in nome di un cinema puro, senza artifici che rispetta l'unità di tempo e luogo. Questo in sintesi il cosiddetto "Voto di castità" di "Dogma 95". Del progetto fa parte il film "Festen. Festa in famiglia" (1998), suo primo grande successo internazionale. Il tema scabroso del film, la pedofilia di un padre verso i figli, viene rivelato durante una festa in famiglia, organizzata per celebrare il sessantesimo compleanno del patriarca Tra i numerosi riconoscimenti, Vinterberg riceve il premio della giuria al festival internazionale di Cannes. Nel 2002 dirige "Le forze del destino" con Joaquin Phoenix e Sean Penn. Ultimamente ha realizzato la pellicola "Dear Wendy" con Jamie Bell.