Veerle Baetens grandit dans la province d'Anvers. Elle étudie le piano dans une école de musique ainsi que le théâtre musical à l'Institut supérieur d'art dramatique de Bruxelles. Son rôle dans la série Sara lui permet de remporter le prix de la meilleure actrice aux Vlaamse Televisie Sterren, une cérémonie flamande.

En 2013, le long-métrage Alabama Monroe de Felix Van Groeningen dans lequel elle interprète le rôle d'Elise remporte le César du meilleur film étranger. Sa prestation est récompensée par plusieurs prix et lui permet de se faire connaître à l'international.