行定勋从熊本县立第二高中美术科毕业后，就读于东方学园专科学校，在校期间就进入了中向制作公司。以副导演的身份协助岩井俊二拍摄了《烟花》（1993年）、《情书》（1995年）、《燕尾蝶》（1996年）、《四月物语》（1998年）等作品，也参与过林海象导演的《通往遥远过去的阶梯》（1995年）。
1997年，行定勋拍摄了电影处女作《家庭招待会》，并在陆奥国际悬疑电影节上获得最佳新晋导演奖。
2000年，行定勋执导了由麻生久美子主演的剧情片《向日葵的声音》，影片获得第5届釜山国际电影节国际影评人协会奖。
2001年，执导了由洼冢洋介和柴崎幸主演的另类青春片《GO!大暴走》，影片获第25届日本电影学院奖最佳男主角在内的10个奖项，行定勋获得了最佳导演奖。
2004年，编导了根据日本作家片山恭一的同名小说改编，由大泽隆夫、长泽雅美主演的爱情电影《在世界中心呼唤爱》，影片以85亿日元的票房打破了日本电影史爱情片的票房纪录，并获得第28届日本电影学院奖最佳电影提名，行定勋也凭借此片获得了最佳导演提名。
2005年1月15日，拍摄了由吉永小百合、丰川悦司、渡边谦联合主演的古装剧情片《北之零年》，影片获第29届日本电影学院奖最佳影片提名，行定勋获最佳导演提名； 10月29日，执导的由妻夫木聪、竹内结子、高冈苍佑等主演的爱情电影《春之雪》上映，影片获第29届日本电影学院奖最佳男女主角在内9项提名。
2007年，行定勋执导了由泽尻绘里香、伊势谷友介主演的爱情电影《尘封笔记本》，影片讲述了一段由一册笔记本引发的爱情故事。
2010年1月16日，编导的由丰川悦司、药师丸博子、水川麻美等主演的爱情电影《爱妻家》上映； 2月20日，执导的描写都市病态的剧情片《检阅式》上映，影片在第60届柏林国际电影节上获得了“全景单元”的费比西奖（又称“国际影评人联盟奖”）； 3月1日，拍摄的由相武纱季、水川麻美主演的爱情电影《新熟女时代》上映。
2011年10月22日，行定勋与韩国导演张俊焕、泰国导演韦西·沙赞那庭共同执导了釜山国际电影节以“爱”为主题所制作的集锦电影《山茶花》，影片被选做第15届釜山国际电影节的闭幕影片。
2013年，行定勋拍摄了根据井上荒野的同名小说改编的剧情片《艳之夜》，影片由阿部宽和小泉今日子主演。
2014年，行定勋转向轻松喜剧，执导了由芦田爱菜主演的电影《圆桌》，影片于6月21日在日本上映，首周初登场观众满意度排名第一位； 10月23日，执导的由刘诗诗、三浦春马、张孝全等领衔主演的悬疑推理爱情电影《午夜的五分前》在中国大陆上映，行定勋凭借该片获得了第6届澳门国际电影节最佳导演奖提名。
2015年10月1日，行定勋执导的由中岛裕翔、菅田将晖、夏帆等主演的青春电影《粉与灰》入围第20届釜山国际电影节“A Window on Asian Cinema单元”。
