Après avoir fait des études à la Kent State University, Dominic Sena débute sa carrière en tant que chef opérateur puis réalisateur sur de nombreux clip vidéos et notamment pour Janet Jackson. Obtenant peu à peu une certaine réputation dans le milieu, il décide de passer à la réalisation de longs métrages. C'est ainsi qu'il signe son premier film en 1993 avec Kalifornia. Un thriller avec David Duchovny et un étonnant Brad Pitt dans la peau d'un tueur en série. Epaulé à la production par Jerry Bruckheimer le cinéaste réalise en 2000 60 secondes chrono, un film d'action avec Nicolas Cage et Angelina Jolie en tête d'affiche.
Le succès commercial de ce blockbuster permet à Dominic Sena de se faire remarquer par Joel Silver qui lui confie l'année suivante la réalisation d'Opération Espadon, thriller explosif où Hugh Jackman prête main forte à John Travolta pour un braquage. En 2009 sort sur nos écrans Whiteout, adaptation de la bande dessinée éponyme autour d'une enquête sur un meurtre en Antarctique, avec Kate Beckinsale dans le rôle principal.