Il réalise en 1989 son premier long métrage O Sangue, qui reçoit un accueil très favorable de la critique. Dans son deuxième film, Casa de Lava, il s'éloigne considérablement des contraintes du scénario pour se laisser inspirer par le Cap Vert et ses acteurs. C'est dans cette lignée, avec la même fermeté du regard, qu'il tourne Ossos, primé au festival de Venise, qui relate l'histoire d'un enfant survivant à plusieurs morts.
En 2000, il consacre entièrement Dans la chambre de Vanda, à Vanda Duarte. Seul avec une petite caméra numérique, il la filme pendant un an, dans sa chambre, avant d'élargir le récit à tout le quartier en phase de démolition. Expérimentateur de formes, nourrit d'un jansénisme cinématographique très bressonien, il est un compagnon de route fidèle des cinéastes indépendants Jean-Marie Straub et Danièle Huillet qu'il filme en pleine séance de montage pour le documentaire Où gît votre sourire enfoui ?
Avec En avant Jeunesse ! (2008) et après une longue pause, Pedro Costa retrouve Vanda et les habitants du quartier capverdien de Lisbonne qu'il filme dans le nouveau quartier HLM où ils sont installés, oscillant, cette fois encore entre documentaire et fiction. Il enchaîne dès l'année suivante avec Ne Change rien, documentaire sur l'actrice (et amie) Jeanne Balibar en pleine conception d'un album de chansons. Le film est présenté à la "Quinzaine des Réalisateurs" de Cannes en 2009.