Andrea Molaioli ha iniziato a lavorare nel cinema nel 1988, prima come assistente alla regia e poi come aiuto regista.
Ha curato la regia per lo speciale televisivo "Diario d'aprile" sul film "Aprile" di Nanni Moretti.
Nel 2001 gira "I diari della Sacher: Bandiera rossa e borsa nera" e nel 2007 ha presentato alla Mostra di Venezia il thriller/noir "La ragazza del lago" interpretato da Toni Servillo riscontrando un notevole successo di critica e successivamente di pubblico. Il film ha di recente vinto 10 David di Donatello 2008.