Дилан О’Брайен родился 26 августа 1991 года в Нью-Йорке, но детские годы актера прошли в городе Спрингфилд, что на северо-востоке США.

В 2003 вместе с родителями и старшей сестрой Джулией он переехал в Калифорнию, в городок Эрмоса-Бич неподалеку от Лос-Анджелеса. Там Дилан пошел в школу Mira Costa High School, там же в 2009 году получил документ об ее окончании. Родители будущего актера были знакомы с кинематографом достаточно близко: папа, Патрик О’Брайен, работал видеооператором, а мама, Лиза Родос, в свое время закончила актерскую школу, так что о внутренней кухне кинематографа Дилан знал не понаслышке.

Профессия отца с детства привлекала Дилана, и он довольно рано начал постигать азы операторской работы. Начал он с коротких комедийных роликов, которые потом выкладывал на крупные видеохостинги вроде Youtube. Кроме того, парень вел трансляции спортивных соревнований на местном стадионе, благодаря чему научился общению с публикой. Это умение держаться перед камерой вкупе с неплохим юмором помогло Дилану быстро собрать множество подписчиков. Можно сказать, что он стал одним из пионеров видеоблогерства.

На ролики также обратил внимание местный продюсер-режиссер, предложивший парню создать целую серию короткометражных смешных фильмов. Во время работы над проектом Дилан познакомился с местечковым актером, который дал ему контакты своего менеджера. Позднее этот менеджер стал работать и с Диланом.

Поначалу О’Брайен собирался продолжить работу спортивным комментатором, поскольку был преданным поклонником бейсбольного клуба «Нью-Йорк Метс», и планировал поступить в Сиракузский университет. Однако любовь к миру кино перевесила, и он отправился на учебу в одну из актерских школ Лос-Анджелеса, однако получить профессиональное образование молодой человек не успел.

В 2011 году он попытал счастья на кастинге нового молодежного сериала производства MTV и неожиданно для самого себя был утвержден на главную роль, однако решил, что лучше справится с образом друга главного героя. В итоге Дилан О’Брайен мастерски воплотил в жизнь «ботаника» Стайлза Стилински. Именно его персонаж стал источником практически всего юмора в сериале.

Вскоре после премьеры «Оборотня» Дилану предложили роль Джимми в комедии «В дороге» («Шоссе»). Во время съемок начинающему актеру пригодился опыт работы комментатором, ведь все диалоги в картине были сплошной импровизацией, с чем парень отлично справился.

В 2012 Дилан получил главную роль в комедийной мелодраме «В первый раз». После окончания работы над фильмом молодого актера пригласили в еще одну комедию – «Кадры», где он сыграл вместе с мастерами этого жанра – Оуэном Уилсоном и Винсом Воном.

А в 2014 году Дилан получил роль, которая сделала его без преувеличения известным на всю Америку и за ее пределами. В экранизации книги Джеймса Дэшнера «Бегущий в лабиринте» Дилан О’Брайен исполнил роль Томаса. Во время съемок актер подружился со своим «сценарным» лучшим другом – Томасом Сангстером. После съемок Дилану, по его словам, начали сниться красочные сны, в которых он попадает в Матрицу.

В 2016 году актер был занят на съемках финальной части фантастической трилогии «Бегущий в лабиринте» (триквел получил название «Лекарство от смерти»). Во время съемок Дилан попал в страшную аварию. В одной из сцен он должен был забраться на крышу одного автомобиля, будучи привязанным к другому. Во время исполнения сложного трюка он упал, и его протащило по асфальту. Актер серьезно травмировал лицо и получил сотрясение мозга. Дату выхода фильма пришлось перенести почти на год.

Параллельно актер был утвержден на главную роль в антитеррористический триллер «Американский убийца» («Наемник»), который вышел в 2017 году.

В 2016 году Дилан О’Брайен снялся в триллере «Глубоководный горизонт».

В конце июля 2016 Дилан получил награду как актер, «появление которого больше всего ждали», а также был признан «Лучшим актером в жанре приключений».

В одном из интервью Дилан признавался, что восхищен работами режиссера Мартина Скорсезе и актерским талантом Леонардо Ди Каприо. Знакомство с ДиКаприо – его давняя мечта.

Когда в плотном рабочем графике появляются пробелы, Дилан тратит их на встречи со старыми друзьями из музыкальной группы «Slow Kids At Play», где он раньше играл на ударных. Кроме того, он любит играть в X-box и пересматривать любимый телесериал «Друзья».

С 2011 года встречался с коллегой по фильму «В первый раз» Бритт Робертсон. В 2018 году пара рассталась.