Ha iniziato a lavorare nel cinema nel 1988, prima come assistente alla regia e poi come aiuto regista, collaborando con molti registi italiani, fra i quali Nanni Moretti, Mimmo Calopresti, Carlo Mazzacurati, Daniele Luchetti e Marco Risi.
Dopo aver girato alcuni backstage di film e serie televisive, vari filmati istituzionali e il documentario Bandiera rossa, Borsa nera, prodotto dalla Sacher Film, esordisce nel lungometraggio nel 2007 con La ragazza del lago. Il film, scritto insieme a Sandro Petraglia, ispirato al romanzo di Karin Fossum Lo sguardo di uno sconosciuto, è prodotto dalla Indigo Film, si rivela un caso cinematografico, vincendo, nell’edizione del 2008, ben 10 David di Donatello, tra cui Miglior Film, Miglior Regista esordiente e Miglior Regista. Del 2011 il secondo film, Il gioellino, sul crack Parmalat, interpretato da Toni Servillo e Remo Girone.
Attualmente sta lavorando alla preparazione di Tutto per una ragazza, tratto dall’omonimo romanzo di Nick Hornby.

Da molti anni Andrea Molaioli collabora con Tracce. È il docente di riferimento del corso di regia fin dalla prima edizione. Presso i corsi di sceneggiatura, tiene lezioni su:
– l’adattamento da un romanzo e da un caso di cronaca;
– come si entra nella storia e con chi;
– il punto di vista;
– i protagonisti e i personaggi secondari;
– i dialoghi.