Né à Dijon, en Bourgogne, Dominique Pitoiset suit d’abord sa scolarité à l’École Nationale des Beaux-Arts. Après des études en architecture, puis en arts plastiques, il rejoint l’École Supérieure d’Art Dramatique du Théâtre National de Strasbourg. En 1981, il devient l’assistant de Jean-Pierre Vincent à la Comédie-Française, puis en 1982 celui de Manfred Karge et Matthias Langhoff à la Comédie de Genève et au Théâtre National Populaire de Villeurbanne.

En 1988, il rencontre Nadia Fabrizio, avec laquelle il fonde la Compagnie Pitoiset à Dijon. Se succèdent alors de nombreuses mises en scène. En 1993, 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. En 1996, il est nommé directeur du Théâtre National Dijon-Bourgogne, fusion du Centre Dramatique National de Bourgogne et du Festival Théâtre en Mai, devenu Rencontres Internationales de Metteurs en Scène. En 2000, il est nommé directeur du Théâtre National de Chaillot, avant qu’un changement ministériel n’invalide cette nomination.

Il fonde alors la société Actes Premiers et quitte la France pour l’Italie, où il enseigne la mise en scène et la scénographie à l’Institut Universitaire d’Architecture de Venise. Il enseigne également à l’École d’Art Dramatique Paolo Grassi de Milan ainsi qu’à l’École du Teatro Stabile de Turin, dont il devient metteur en scène associé. Il travaille également à Parme pour le Festival Verdi et le Teatro Due.

En 2004, il prend la direction du Théâtre national de Bordeaux en Aquitaine, où il crée l’École Supérieure de Théâtre de Bordeaux en Aquitaine en 2007. En 2009, il débute un cycle sur le théâtre nord-américain avec un remarquable Qui a peur de Virginia Woolf ? d’Edward Albee, suivi de Mort d’un commis voyageur d’Arthur Miller. En 2014, il crée la Compagnie Pitoiset - Dijon, qu’il installe dans sa ville natale. Il devient artiste associé à Bonlieu Scène nationale Annecy. Pour l’ouverture du théâtre rénové, il crée le troisième volet très remarqué de sa trilogie américaine, Un été à Osage County de Tracy Letts, puis en automne 2019, la mise en scène de la pièce Linda Vista du même auteur.

Il dirige l’OD, Opéra de Dijon, de 2021 à 2025, où il signe les mises en scène de Cosi Fan Tutte de Mozart, Armide de Lully, Hansel et Gretel de Humperdinck, Tosca de Puccini et Le Château de Barbe Bleue de B. Bartók. En 2025, il met en scène l’opéra contemporain Like Flesh de Sivan Eldar au festival Interfinity de Bâle.