Après avoir suivi des cours au Bowdoin College, Brad Anderson s'inscrit au London's International Film School. Une fois son diplôme en poche, il revient aux Etats-Unis, où il débute sa carrière en tant que réalisateur de documentaires.
Son premier film, un moyen-métrage, est un hommage au cinéaste Ed Wood: Frankenstein's Planet of Monsters !.
En 1996, il réalise son premier long mètrage, The Darien Gap. Son film sera remarqué au Festival du film de Sundance. Son second film, Et plus si affinités, sort en 1998 et obtient le grand prix et le pris du public au Festival de Deauville.
Suivent Happy Accident, puis Session 9.
En 2005 il tourne The Machinist, mettant en scène un Christian Bale squelettique. En 2008, il sort Transsiberian, un thriller au casting prestigieux et international (les américains Kate Mara et Woody Harrelson, les anglais Emily Mortimer et Ben Kingsley, l'espagnol Eduardo Noriega, l'allemand Thomas Kretschmann). En 2010, il sort un film très influencé par la quatrième dimension, L'empire des ombres, un film dans lequel jouent Hayden Christensen, John Leguizamo et Thandie Newton.
Il a tourné pour la télévision un épisode de la série The Shield, deux pour la série sur écoute, dix pour Fringe, un épisode de la série Masters Of Horror (Un son qui déchire), et un autre de la série Fear Itself (âmes errantes).