Après des études au Bowdoin College, Brad Anderson, dont l'intérêt pour le cinéma remonte à l'enfance et à ses "premières oeuvres" en Super-8, s'exile une année à Londres pour suivre les enseignements de la London's International Film School.

Revenu aux Etats-Unis, plus précisément à Boston, il travaille sur des documentaires pour la PBS, et fonde avec quelques réalisateurs locaux le Boston Film Collective. Il réalise ensuite un moyen-métrage en hommage à Ed Wood (Frankenstein's Planet of Monsters !), puis met en scène son premier long, The Darien Gap, qu'il co-produit, monte et écrit pour un budget minuscule. Le film est remarqué au festival de Sundance en 1996 et distribué par Northern Arts. 

Pour son second film, Et plus si affinités, il dirige Philip Seymour Hoffman, et remporte le grand prix et le prix du public au festival de Deauville. Après avoir abordé la comédie romantique (Happy accidents) et le thriller horrifique (Session 9), il réalise en 2004 The Machinist, plongée dans les méandres psychologiques d'un ouvrier insomniaque et paranoïaque, interprété par Christian Bale.

Après ce coup de maître, si l'on excepte les méconnus Transsiberian (2008) et L'Empire des Ombres (2010), Brad Anderson se concentre sur la télévision. Il réalise ainsi un grand nombre d'épisodes de séries aussi différentes que Masters of Horror, Surface, Undercover, Boardwalk Empire, Person of Interest ou encore Alcatraz. Il s'investit tout particulièrement dans Fringe, pour laquelle il dirige pas moins de 12 épisodes.

Il faut attendre 2013 pour que Brad Anderson revienne au cinéma, avec un thriller intitulé The Call et emmené par une Halle Berry campant une opératrice 911 bien déterminée à sauver une adolescente kidnappée par un tueur en série.