Elève de Denise Bonal, Michel Bouquet et Jean-Pierre Vincent au Conservatoire National d’Art Dramatique, il travaille pour la première fois avec Georges Lavaudant en 1989 en créant le rôle principal de Féroé, la nuit..., de Michel Deutsch. Patrick Pineau a joué des auteurs classiques (Marivaux, Calderon, Musset...) ou des contemporains (Eugène Durif, Mohammed Rouabhi, James Stock...) dans des mises en scène de Michel Cerda, Eric Elmosnino ou Jacques Nichet. Il a incarné Platonov, dans la mise en scène de Claire Lasne. Au cinéma, il a notamment travaillé avec Eric Rochant, Francis Girod, Bertrand Tavernier et Bruno Podalydès et Nicole Garcia.
Il fera partie de la troupe de l'Odéon de 1997 à 2005. On a pu le voir, mis en scène par Georges Lavaudant, dans: Terra Incognita, Un Chapeau de Paille d'Italie, Histoires de France, Tambours dans la nuit et La Noce chez les petits-bourgeois, L'Orestie, Fanfares, Un Fil à la patte, La Mort de Danton, El Pelele, La Cerisaie.

En tant que metteur en scène il signe Conversations sur la Montagne d’Eugène Durif (Théâtre Ouvert - 1992), Discours de l’Indien rouge de Mahmoud Darwich (Théâtre Paris-Villette - 1994), Pygmée de Serge Sandor (Villeurbanne - 1995). Il a mis en scène Eric Elmosnino dans Monsieur Armand dit Garrincha de Valletti au Petit Odéon en 2001, il met en scène Tout ne doit pas mourir de Mohamed Rouabhi au Petit Odéon en 2002 et créé Les Barbares de Gorki dans la petite salle des Ateliers Berthier au printemps 2003. En juillet 2004, il monte Peer Gynt d'Ibsen dans la Cour d'honneur, au festival d'Avignon, repris en mars 2005 à l'Odéon aux Ateliers Berthier. En 2006 il met en scène Hervé Briaux dans Des Arbres à Abattre de Thomas Bernhard aux Ateliers Berthier et créé La demande en mariage, le Tragédien malgré lui et l’Ours d’Anton Tchékhov à la scène Nationale Evreux Louviers puis à la MC 93 à Bobigny.

En 2009, après La noce de Bertolt Brecht il met en oeuvre un Festival avec le Rayon Vert à Saint-Valéry-en-Caux autour de lectures de textes de Flaubert et d’Annie Ernaux.

À l’automne 2010, il créé Sale août de Serge Valletti puis plus tard, Le suicidé à la Carrière de Boulbon pour la 65ème éditions du Festival d’Avignon.