Né à Dijon, il débute sa formation artistique à l'Ecole Nationale des Beaux-Arts de cette ville. Après des études en architecture puis en arts plastiques et en histoire de l'art, il rejoint l'Ecole d'Art Dramatique du Théâtre National de Strasbourg, où, parallèlement à une formation d'acteur, il réouvre et dirige le Théâtre Universitaire, ancien haut lieu du situationnisme, au sein duquel il réalise ses premiers travaux personnels.

A l'issue de sa formation, il devient en 1981 l'assistant de Jean-Pierre Vincent puis, en 1982, celui de Manfred Karge et de Matthias Langhoff. En 1983, il constitue l'association En Attendant (par la suite Compagnie Pitoiset) et s'installe à Dijon.
Dès lors, il signe les mises en scène suivantes : en 1986, Comédienne d'un certain âge pour jouer la femme de Dostoïevski d'Edward Radzinski ; en 1988, Le Pélican de August Strindberg ; en 1990, Le Misanthrope de Molière ; en 1991, Timon d'Athènes de Shakespeare ; en 1993, Faust (version Urfaust) de Goethe. Il obtient le prix de la Villa Médicis hors les murs pour Faust et séjourne une année en Italie, en partie aux côtés de Luca Ronconi.<br><br>
En 1995, La Dispute de Marivaux (TNB Rennes), Les noces de Figaro de Mozart (Opéra de Lausanne). En 1996, il est nommé directeur du Théâtre National Dijon Bourgogne, qu'il crée en fusionnant le Centre Dramatique National de Bourgogne, la Compagnie Pitoiset et le Festival Théâtre en Mai, devenu Rencontres Internationales de Metteurs en scène ; la même année à Dijon, Le Procès d'après Kafka (Festival d'Avignon puis tournée internationale). En 1997, La nuit juste avant les forêts de Bernard-Marie Koltès ; en 1998, Les Brigands de Schiller, Le Réformateur de Thomas Bernhard ; en 1999, Don Giovanni de Mozart (Opéra National de Paris) et Falstaff de Verdi (Opéra National de Paris). En 2001, trilogie Shakespeare : Otello, La Tempesta et Macbeth (Verdi).<br><br>
Depuis novembre 2001, il est responsable de l'enseignement de la mise en scène à l'Université d'Architecture de Venise. En 2002, Le Tartuffe de Molière.<br><br>Dominique Pitoiset est metteur en scène associé au Teatro Stabile de Turin depuis mars 2003. En 2003, La Tempête et Peine d'amour perdu de Shakespeare. En janvier 2004, il est nommé directeur du Théâtre national de Bordeaux en Aquitaine.