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 clips musicaux pour des artistes tels que Janet Jackson, Sting ou encore Tina Turner. Il fonde ainsi la société Propaganda Films, dont la spécialité est la création de clips, et réalise également plusieurs spots publicitaires, dont plusieurs pour la marque Nike.

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. Mais le road movie n'obtenant pas le succès escompté, Dominic Sena se tourne à nouveau vers la réalisation de clips avec sa société Propaganda Films. Épaulé à la production par Jerry Bruckheimer le cinéaste revient plus tard au grand écran et 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. Après une pause de quelques années, le réalisateur s'essaie au film policier en 2009 avec Whiteout, adaptation de la bande dessinée éponyme autour d'une enquête sur un meurtre en Antarctique, avec Kate Beckinsale dans le rôle principal.

Peu après, Dominic Sena retrouve Nicolas Cage et lui confie le rôle principal de son nouveau long métrage, Le Dernier des Templiers, film d'aventure fantastique sur le périple de chevaliers chargés d'escorter une jeune fille accusée de sorcellerie jusqu'à un monastère.