Il étudie l'art au Pratt Institute de New York entre 1977 et 1985. C'est à ses moments perdus qu'il y découvre au hasard le cinéma de
Jim Jarmusch, Yasujir? Ozu,
Woody Allen et Fellini. De retour en Thaïlande, il devient directeur artistique d'une agence de publicité.
En 1997, il réalise son premier long métrage :
Fun Bar Karaoke, qui obtient le Prix spécial du jury au Festival des trois continents de Nantes. Cinq ans plus tard, Monrak Transistor est sélectionné à la Quinzaine des réalisateurs du Festival de Cannes 2002.
En 2003, il réalise
Last Life in the Universe, avec le scénariste Prabda Yoon, le directeur de photographie
Christopher Doyle et l'acteur japonais
Tadanobu Asano. Asano joue le rôle d'un homme japonais qui va en Thaïlande pour tenter d'échapper à des yakuza.
En 2004, il fut le narrateur (voix) dans le film surréaliste de Wisit Sasanatieng, Citizen Dog.
En 2006, Pen-Ek travaille de nouveau avec Prabda, Doyle et Asano en réalisant le film Vagues invisibles, traitant de l'histoire d'un chef japonais qui commet un meurtre à Macao puis va en Thaïlande.
En 2008 sort sur les écrans français un film sur la relation homme/femme au sein du couple, intitulé
Ploy. Le cinéaste décortique ici les rapports humains avec poésie et dilatation du temps. Le film sort en DVD à la fin de l'année 2008.
Il débute ensuite le tournage de Nymph (Nang Mai) dont on sait assez peu de choses. Il s'agirait d'une histoire baignée de surnaturel, basée sur la légende thaïlandaise des Nang Mai, esprits vivants dans les arbres. Il s'agit donc d'un certain changement de ton et de style pour le cinéaste, d'autant plus que le film est rangé dans la catégorie "horreur". Le film a été sélectionné au festival de Cannes 2009 dans la section Un certain regard.