Dermot Mulroney débute sa carrière artistique sur les planches, puis sur le petit écran. C'est à 25 ans qu'il connaît sa première expérience cinématographique en jouant un petit rôle dans le long métrage Meurtres à Hollywood de Blake Edwards.

En 1988, il se fait connaître du grand public en incarnant l'un des six héros du western Young guns. Dès lors, les rôles s'enchaînent. L'éclectisme prime puisqu'on le voit à l'affiche du film d'action Nom de code : Nina (1993), la comédie The Thing called love (id.) ou encore la satire du monde du spectacle de Tom DiCillo emmenée par Steve Buscemi en grande forme : Ca tourne a Manhattan (1994). En 1995, après avoir retrouvé Tom DiCillo pour Box of moonlight, Dermot Mulroney accompagne Sigourney Weaver sur les traces d'un dangereux psychopathe dans le thriller Copycat puis s'illustre dans Kansas City, film noir ancré dans les années 30 et signé Robert Altman.

Acteur changeant souvent de registre, Mulroney accède à la reconnaissance internationale en 1997 grâce à son rôle du meilleur ami de Julia Roberts dans la comédie romantique Le Mariage de mon meilleur ami. Il joue ensuite dans Goodbye Lover de Roland Joffé, et s'illustre notamment dans The Safety of objects et Monsieur Schmidt, où il incarne le gendre provincial un peu beauf de Jack Nicholson. En 2005, après avoir joué le père de Jamie Bell dans la fable hypnotique L'Autre rive, l'acteur s'affiche, cette même année, dans deux comédies romantiques, genre qui semble lui coller à la peau depuis ses débuts : escort boy dans The Wedding Date, il donne ensuite la réplique à Diane Lane et John Cusack dans La Main au collier (rappelons-nous également qu'il avait fait tourner la tête de Jennifer Aniston dans la neuvième saison de Friends en 2002 !).

Cantonné aux seconds rôles, Dermot Mulroney n'abdique en rien et se retrouve même à l'affiche de plusieurs productions très attendues, supervisées par de prestigieux metteurs en scène. Il répond présent à l'appel de David Fincher pour incarner un capitaine de police dans Zodiac (2007), côtoie les frères Ethan & Joel Coen en faisant une apparition dans leur comédie Burn After Reading (2008), s'affiche aux côtés de Leonardo DiCaprio dans J. Edgar (2012) de Clint Eastwood, se retrouve en plein Territoire des Loups (id.) en compagnie de Liam Neeson, et prend part à l'aventure écologique au sein du film familial Miracle en Alaska (id.).

Si, en 2013, Dermot Mulroney côtoie Ashton Kutcher dans le biopic Jobs et retrouve Julia Roberts l'année suivante dans le drame familial Un été à Osage County, l'acteur s'illustre de plus en plus à la télévision. Il tient ainsi un rôle récurrent dans les deux premières saisons de la série humoristique New Girl avant de rejoindre les castings de Enlightened : illuminée et Crisis, deux séries rapidement annulées. Le comédien arrive pourtant à rebondir et rejoint les rangs d'une série culte, Shameless, en interprétant le personnage de Sean Pierce à partir de la cinquième saison.

Parallèlement à ses rôles à la télévision, Dermot Mulroney continue de tourner pour le grand écran en jouant notamment l'un des rôles principaux du nouveau film de la saga Insidious, Insidious : Chapitre 3. Celui dont les derniers films sont surtout des thrillers à l'image de Lavender d'Ed Gass-Donnelly ou Careful what you wish for réalisé par Elizabeth Allen sera prochainement à l'affiche de la comédie attendue Dirty Grandpa où il donnera la réplique à Robert De Niro et Zac Efron.

Tournant beaucoup, Dermot privilégie l'action et le thriller, comme en témoignent par exemple ses prestations dans Sleepless, The Courier ou Agent Game. Il est aussi à l'affiche du film d'aventures La Montagne entre nous, du film fantastique I Still See You, de la romance Netflix En route pour l'avenir, de la comédie Christmas is cancelled et de l'horrifique Umma. En 2023, le natif de Virginie rejoint la lucrative franchise sanglante avec Scream VI. Egalement actif côté petite lucarne, le comédien trouve des rôles notables dans les séries Pure Genius, New Girl, Station 19, The Purge et Hanna.