Hinnerk Schönemann wuchs als Kind einer Arztfamilie im Berliner Stadtteil Friedrichshain auf. 1988 floh die Familie nach Hamburg, 1992 kehrte Schönemann nach Berlin zurück. Er begann eine Ausbildung an der Hochschule der Künste Berlin.

Ab 1998 übernahm er Rollen in Fernsehserien und -filmen und ab 2001 auch in Kinofilmen. Von 2001 bis 2003 trat er am Thalia Theater in Hamburg auf.

Von 2007 bis 2008 spielte er eine der Hauptrollen in der Fernsehserie, Dr. Psycho – Die Bösen, die Bullen, meine Frau und ich. Seit 2008 ist er neben Mariele Millowitsch in der Fernsehreihe Marie Brand zu sehen, bisher wurden 20 Folgen gedreht. In der vierteiligen Krimireihe Finn Zehender spielt er die Titelrolle und in der US-amerikanischen Produktion Gefährten eine Nebenrolle.

Hinnerk Schönemann ist mit der Schauspielerin Anne Sarah Schönemann verheiratet. Das Paar hat einen gemeinsamen Sohn, lebt aber mittlerweile getrennt. Seit 2014 lebt Schönemann mit seiner Freundin, der Designerin Anne Gorke, auf einem eigenen Bauernhof in der Gemeinde Plau am See.