Poche notizie riguardo l'adolescenza del giovane regista; le prime informazioni certe sono quelle del periodo universitario, quando si iscrive alla facoltà di Scienze politiche dell'Università di Milano. A 21 anni abbandona gli studi e si trasferisce a New York per seguire definitivamente la sua passione per il cinema. Da questi primi studi nasce il cortometraggio Drimage (il più importante di una serie di sperimentazioni registiche, vincitore del premio Gaumont alla rassegna Film-maker), dopodiché ritorna alla città d'origine e prende casa a Milano. Qui lavora come traduttore di alcuni telefilm americani e come aiuto regista di spot pubblicitari.
Nel 1983 Soldini realizza un mediometraggio girato in 16 mm Paesaggio con figure che viene presentato in diversi festival, tra i quali quello di Locarno e di Bellaria. E proprio in quest'ultima città vince il primo premio con il secondo mediometraggio Giulia in ottobre (1984), prodotto dalla Bilicofilm (poi ribattezzata Monogatari), società fondata dal regista nello stesso anno. In questo ritratto lucido di una solitudine femminile sullo sfondo di una Milano algida e ostile si intravede già l'interesse del regista per un cinema vero che guarda al presente con onestà: prova anche la strada del documentario, ovvio canale d'espressione per un artista alla ricerca della verità, con Voci celate (1985), storie di una comunità ai margini della società in un Day Hospital psichiatrico.

I primi film
Il vero debutto nel lungometraggio è del 1989 con L'aria serena dell'ovest, realizzato in seguito all'esperienza con il gruppo Indigena formato da giovani registi italiani (Daniele Segre, Bruno Bigoni, Enrico Ghezzi, Francesca Marciano, Roberta Mazzoni e Kiko Stella) con i quali aveva lavorato nel film a episodi Provvisorio quasi d'amore. Dopo essersi fatto notare con l'opera prima, il successo si riconferma con Un'anima divisa in due (1993), in concorso a Venezia e coppa Volpi all'attore protagonista Fabrizio Bentivoglio. La storia d'amore impossibile tra un milanese e una zingara che cerca di riscattarsi dimostra la capacità di Soldini di disegnare un quadro asciutto e sincero sulla cultura dei rom in Italia. Nel 1997 è la volta de Le acrobate con la storia di un'amicizia tutta al femminile tra Licia Maglietta e Valeria Golino, la prima una ricca signora del Nord e la seconda una cassiera in un supermercato con grossi problemi familiari, unite per caso in una solidarietà che cambierà le loro esistenze. Con il documentario Rom Tour (1999), grazie alla collaborazione dello scrittore Antonio Tabucchi e il regista Giorgio Garini, affronta nuovamente la cultura degli zingari ma stavolta, con interviste e riflessioni a voce alta, percorre le strade della periferia abbandonata di Firenze.

La commedia e il successo di Pane e tulipani
Con il 2000 Soldini cambia registro e si apre alle dinamiche della commedia affidandosi ad una narrazione tragicomica che tiene il passo al ritmo del distacco ironico sulla realtà. Con Pane e tulipani conquista sia il pubblico che la critica internazionale (l'interpretazione di Licia Maglietta è supportata dalla bravura di Bruno Ganz, Giuseppe Battiston e Marina Massironi) e così può girare un film più impegnativo come Brucio nel vento (2002), tratto dal romanzo "Ieri" di Agota Kristof, racconto dolente dell'ossessione per una donna che sfocia in una passione con conseguenze drammatiche.

In bilico tra dramma e commedia
Due anni dopo ritorna alla commedia con Agata e la tempesta, viaggio esistenziale di una donna che abbandona le proprie abitudini per vivere la vita più intensamente.
Nel 2007 chiama Margherita Buy e Antonio Albanese e con loro realizza Giorni e nuvole, in concorso alla Festa del cinema di Roma. Dopo la parentesi che sfiora il surreale con il film precedente, il regista ritorna al cinema difficile occupandosi di una coppia benestante che improvvisamente perde tutte le certezze a causa del licenziamento del marito; uno sguardo riflessivo sulla società contemporanea segnata dal precariato e un'indagine mai invadente ma puntuale del rapporto tra due persone che si amano.
Ispirato dal cinema asciutto di Antonioni e debitore della lezione di Kieslowski, Soldini riesce a ritagliarsi uno spazio tutto suo e a creare uno stile personale e riconoscibile che unisce un'elegante ricerca figurativa ad una sensibile esplorazione sociale. Così come alcuni dei titoli delle sue pellicole più importanti sono segnati dalla coordinazione di due parole (Pane e tulipani, Agata e la tempesta fino a Giorni e nuvole), anche il suo modo di fare cinema si distingue per uno sguardo consapevole sulla realtà che mette sullo stesso piano i diversi, se non gli opposti della commedia e della tragedia. Nei suoi racconti il presente non è un attimo fuggente o un istante incantato, ma una residenza, una convivenza di passato e futuro, una compresenza di drammi personali ma anche di speranze non illusorie. Come la protagonista di Pani e tulipani che, spinta dal caso, intraprende una fuga che è sì stravagante ma pur sempre segnata da un presente possibile che guarda in faccia la vita.
Nel 2010 dà vita a una storia drammatica di tradimento e crisi economica in Cosa voglio di più, interpretato da Alba Rohrwacher, Pierfrancesco Favino e Giuseppe Battiston, mentre due anni dopo torna alla commedia surreale con il film corale Il comandante e la cicogna, ancora una volta con Alba Rohrwacher, Valerio Mastandrea, Giuseppe Battiston e Claudia Gerini.
Negli ultimi anni si dedica spesso al documentario girando Milano 2015, e Il fiume ha sempre ragione .
Nel 2017 dirige Valeria Golino e Adriano Giannini in Per altri occhi e nel 2021 dirige Kasia Smutniak in 3/19. Tornerà nel 2023 con il documentario Un altro domani, scritto e realizzato insieme a Cristiana Mainardi.