Seu primeiro filme como diretor foi o curta-metragem O poeta do castelo e o mestre de Apipucos, financiado pelo Instituto Nacional do Livro. O filme registra a intimidade do poeta Manuel Bandeira e a do escritor e sociólogo Gilberto Freyre.

Em 1960, Joaquim Pedro produziu o curta-metragem Couro de gato, filmado no morro do Cantagalo, no Rio de Janeiro, e fotografado por Mário Carneiro. Contemplado pelo com uma bolsa de estudos do governo francês, foi estudar cinema na França.

Em 1963, foi convidado para dirigir o documentário Garrincha, alegria do povo, concebido por Luís Carlos Barreto, que o produziu e roteirizou, ao lado de Armando Nogueira. Em 1965, fundou a produtora Filmes do Serro e iniciou as filmagens de O padre e a moça. Preso pela ditadura militar em 1969 e liberado alguns dias depois,  filmou Macunaíma, seu maior sucesso de crítica e um marco histórico no cinema nacional.

Vítima de câncer no pulmão, faleceu aos 56 anos.