Le père de Claude Pinoteau était régisseur et son frère est également réalisateur (Jacques Pinoteau). L'amour du cinéma semble être de famille. Après avoir faits ses premières expériences cinématographiques en tant que régisseur et accessoiriste, se formant sur le tas, il devient assistant réalisateur. Il collabore alors avec certains des plus grands noms du cinéma français de l'époque comme Henri Verneuil (Un singe en hiver, Mélodie en sous-sol, Cent mille dollars au soleil, La Vingt-cinquième heure, La Bataille de San Sebastian), Philippe de Broca (Les Tribulations d'un Chinois en Chine), Jean-Pierre Melville (Les Enfants terribles), Max Ophüls (Lola Montès), Jean Cocteau (Orphée) ou encore Claude Lelouch (Smic, Smac, Smoc, L'Aventure, c'est L'Aventure).