Dylan Baker, fils d'un couple d'avocats, est élevé près de Lynchburg en Virginie. Rien ne le destine à être comédien quand il entre à l'université Méthodiste du Sud pour devenir un homme de loi. Mais il se passionne pour l'art dramatique en participant à de nombreuses productions théâtrales à l'université. Il débute sur les planches à Broadway dans Not About heroes en 1986, année où il fait aussi ses premiers pas à la télévision avec la série New York District, à laquelle il continue d'être fidèle (16 saisons). Il se propulse sur le grand écran en 1987, avec un petit rôle offert par John Hughes dans Un ticket pour deux.

Ses débuts au cinéma sont jalonnés d'apparitions dans des films à gros succès, comme Le Dernier des Mohicans de Michael Mann (1992), ou en 1994 aux côtés de Demi Moore et Michael Douglas dans Harcèlement. En 1997, son rôle de père de famille pédophile dans Happiness de Todd Solondz est plébiscité par le public et la critique. Son interprétation est récompensée par le Prix du Meilleur acteur décerné par le National Board of Review, qu'il partage avec Lara Flynn Boyle et Philip Seymour Hoffman. Un an plus tard, il se marie avec l'actrice Becky Ann Baker: le couple apparaît ensemble dans Celebrity de Woody Allen (1998). Acteur prolifique, il est souvent amené à interpréter des rôles hétéroclites : docteur dans l'inquiétant Requiem for a Dream (2000), profiler dans Le Masque de l'araignée au côté de Morgan Freeman, Secrétaire d'Etat Américain dans Treize jours... En marge du grand écran, Dylan Baker continue de partager sa carrière entre les planches et la télévision, auxquelles Il reste fidèle. Il apparaît ainsi régulièrement dans les séries, parfois le temps d'un épisode; telles Les Experts, New York 911 ou encore FBI : portés disparus.

Sa présence dans les films grand public ne l'empêche pas de participer à des projets plus intimistes et courageux, à l'instar de The Laramie Project, qui retrace l'histoire atroce du meurtre d'un jeune étudiant homosexuel à Laramie, dans l'Etat du Wyoming aux Etats-Unis. En 2004, il change à nouveau radicalement de registre : Sam Raimi fait appel à lui pour incarner le professeur de physique de Tobey Maguire dans le succès planétaire Spider-Man 2, avant d'endosser une nouvelle fois ce rôle pour les besoins de Spider-Man 3.