Eski bir aktris ve drama öğretmeni Lisa Rhodes ile kamera operatörü Patrick O'Brien'ın çocuğu olarak New York'ta doğdu ve burada büyüdü. 12 yaşındayken ailesiyle birlikte California'ya taşındı.

Teen Wolf ekibine katılmadan önce, lise yıllarında viideo sitelerinde kendine ait video ve kısa filmleriyle dikkat çekmeyi başardı. Normal şartlarda spor medyasında yer almak isteyen ve Syracuse Üniversitesi'nde spor yayıncılığı okuma planları yapan O'Brien'ın hayatı, hiç beklemediği bir yola girdi. Hiç aktörlük eğitimi almamasına rağmen, tanıştığı bir aktörün, videolarını bir kast ajansına göndermesiyle yeni başlayacak olan Teen Wolf dizisi kadrosunda yer alabilmek için bir şans yakaladı. Sonunda 2011'de başlayan Teen Wolf dizisine 4 deneme sonunda Stiles karakteriyle katılmaya hak kazandı. Bu rol sayesinde dünya çapında tanındı. Yine o yıl ilk sinema filmi olan High Road'da oynadı. Bu çıkışını sinemaya da yansıtan O'Brien, The First Time adlı romantik komedinin ve Genç Çıraklar adlı Owen Wilson ve Vince Vaughn'lu komedi filminin ardından, 2014 yapımı Labirent: Ölümcül Kaçış filmiyle ünlü kitap serisi The Maze Runner'ın sinema uyarlamasına dahil oldu. Thomas rolüyle yine gençlerin takdirini kazandı.

Sevgilisini bir saldırı sonucu kaybettikten sonra intikam isteğiyle yanıp tutuşan ve CIA'e katılan genç bir adamı canlandırdığı Suikastçı (American Assassin) filmi 15 Eylül 2017'de Türkiye'de gösterime girdi.

Dylan O'Brien, bir diğer aktris Britt Robertson ile birliktedir. Müzikle de yakından ilgilenen O'Brien, piyano, gitar ve davul çalabilmektedir.