Le père de Claude Pinoteau était régisseur et son frère est également réalisateur (Jacques Pinoteau). L'amour du cinéma semble être de famille. Après avoir faits ses premières expériences cinématographiques en tant que régisseur et accessoiriste, se formant sur le tas, il devient assistant réalisateur. Il collabore alors avec certains des plus grands noms du cinéma français de l'époque comme Henri Verneuil (Un singe en hiver, Mélodie en sous-sol, Cent mille dollars au soleil, La Vingt-cinquième heure, La Bataille de San Sebastian), Philippe de Broca (Les Tribulations d'un Chinois en Chine), Jean-Pierre Melville (Les Enfants terribles), Max Ophüls (Lola Montès), Jean Cocteau (Orphée) ou encore Claude Lelouch (Smic, Smac, Smoc, L'Aventure, c'est L'Aventure).

Après quelques courts métrages, il obtiendra le succès dès 1973 avec son premier film, Le Silencieux, interprété, entre autres, par Lino Ventura. Il collaborera encore à trois reprise avec Ventura pour La Gifle (1974), L'Homme en colère (1979) et La 7ème cible (1984). Pinoteau oscille entre le film policier et la comédie de moeurs. Il réalise, en 1976, Le Grand escogriffe pour lequel il réuni un casting en or massif avec Yves Montand, Claude Brasseur, Adolfo Celi, Valentina Cortese ou encore Guy Marchand. Pour ce film, Michel Audiard a participé à l'écriture, Jean Collomb a effectué sa troisième collaboration avec Pinoteau en tant que chef opérateur alors que le grand Georges Delerue composait pour la seconde fois la musique d'un de ses films. En 1979, c'est L'Homme en colère qu'il met en scène.

C'est en s'intéressant aux jeunes et à leurs problèmes que Claude Pinoteau connaîtra ses plus grands succès. En effet, en 1980 le réalisateur créé la sensation en sortant La Boum dans lequel il révèle la très jeune Sophie Marceau. Le deuxième opus, La Boum 2, sortira deux ans plus tard et constituera un nouveau triomphe au box office pour le cinéaste. Il retrouvera une troisième fois Sophie Marceau avec L'Etudiante en 1988 avec, à chaque fois, Danièle Thompson au scénario.

Les années quatre vingt dix verront trois nouveaux longs métrages de Claude Pinoteau sortir sur les écrans. C'est tout d'abord en 1991 où il retrouve Danièle Thompson pour La Neige et le feu avec Vincent Perez et Géraldine Pailhas. Une histoire d'amour en pleine Deuxième Guerre Mondiale. Par la suite, Pinoteau revient à la comédie avec, en 1994, Cache cash ou il fait tourner Georges Wilson, Michel Duchaussoy, Jean-Pierre Darroussin, Jean-Claude Dreyfus et Jean Carmet notamment. En 1997, c'est Les Palmes de M. Schutz qu'il met en scène avec cette fois-ci Philippe Noiret, Isabelle Huppert et Charles Berling. Entre temps, il aura également revêtu la casquette de producteur avec Ca n'arrive qu'aux autres (1971) de Nadine Trintignant. Récemment, il a été le scénariste et l'adaptateur de la série télévisée La Bicyclette bleue (2000).