Membre du Footlights (club de théâtre) alors qu’il est étudiant à Cambridge, Daniel Jonathan Stevens débute sa carrière en 2004 dans la mini série Frankenstein. Restant dans la veine fantastique, il apparaît dans le téléfilm anglais Dracula en 2006. Passé inaperçu dans Hilde en 2009, le jeune homme accède à la notoriété grâce au rôle de Matthew Crawley, unique héritier mâle tenu d’épouser sa cousine Mary, dans la série britannique Downton Abbey.

Sa reconnaissance nouvelle lui ouvre les portes du cinéma et en 2012, il joue Joey Van Helsing, descendant d'une famille de chasseurs de démons et petit ami de Stacy, jeune vampire en quête d’amour, dans la comédie Vamps. L’année suivante, Dominic Cooper et lui se disputent l’amour d’Emily Browning dans le biopic Summer in February.

Après s’être distingué dans Le Cinquième pouvoir aux côtés de Benedict Cumberbatch en 2014, l’acteur change de registre et participe au thriller Balade entre les tombes, dans lequel il engage Liam Neeson pour retrouver les kidnappeurs et tueurs de sa femme. Dan Stevens entame 2015 avec La Nuit au musée : Le Secret des Pharaons dans la peau de Lancelot du Lac, le méchant du film qui mène la vie dure à Ben Stiller et Robin Williams.

En 2017, le comédien se voit confier le premier rôle de la nouvelle production de FX Legion. Ce spin-off de X-men s’intéresse à David Haller, le fils schizophrène du Professeur Xavier, qui semble lui aussi être doté de pouvoirs surnaturels. Stevens est dans le même temps à l'affiche dans les salles obscures, puisqu'il prête sa voix et ses traits à la créature qui fait chavirer le cœur d’Emma Watson dans le remake de la Belle et la Bête. Le long métrage rapporte plus d'1,2 milliard de dollars dans le monde...

Tournant beaucoup, le natif de Croydon poursuit en s'illustrant dans divers genres, comme la SF (Redivider, I'm Your Man), la comédie romantique (Permission, L'Esprit s'amuse), le biopic (Marshall - La vérité sur l'affaire Spell, L'Homme qui inventa Noël), le drame (Her Smell) ou encore le thriller horrifique (Le Bon Apôtre, The Rental). Côté séries, il remplace Armie Hammer dans Gaslit, qui revient sur le célèbre scandale du Watergate, pour le rôle d'un jeune conseiller juridique de la Maison-Blanche.

Dan Stevens fait également montre de ses talents de doubleur dans les séries animées Kipo et l'âge des Animonstres et The Prince.