Trine Dyrholm débute très jeune sa carrière artistique et commence par percer dans le domaine de la musique. Elle enregistre un premier album à 14 ans et se produit régulièrement en concert. A sa majorité, elle entame des études à la Statens Teaterskole, une grande école danoise qui enseigne le théâtre et la danse.

En 1990, elle tourne son premier film intitulé Springflod, une comédie romantique pour adolescents. Puis l’actrice enchaine les téléfilms pour la télévision danoise, comme Cecilia ou Lille John. En 1998, elle tourne un film décisif pour sa carrière, Festen de Thomas Vinterberg, qu’elle retrouve en 2000 pour Les Héros. Dans cette cavale à travers la Suède, la comédienne donne une nouvelle fois la réplique à Thomas Bo Larsen et à Ulrich Thomsen, qui figuraient tous les deux également au casting de Festen.

Habituée des comédies dramatiques, elle incarne une détenue aux étranges pouvoirs dans In your hands puis une jeune femme au cœur brisé dans Soap. Impressionné par son jeu dans Festen, le réalisateur Erik Poppe l’engage pour jouer une mère persuadée que son fils a été assassiné par Pål Sverre Valheim Hagen dans En eaux troubles (2009). Deux ans plus tard, elle prête ses traits au personnage de Marianne, l’ex-femme de Mikael Persbrandt dans Revenge. Le film de Susanne Bier remporte d'ailleurs l'Oscar du Meilleur film étranger.

En 2012, la réalisatrice lui propose une nouvelle collaboration, mais sur un ton plus léger : celui de la comédie romantique Love is all you need. Elle participe ainsi à cette romance à l'italienne aux côtés de Pierce Brosnan, avant de prendre part à une autre histoire d'amour la même année : celle qui unit Mads Mikkelsen et Alicia Vikander, respectivement médecin et épouse du roi du Danemark Christian VII, dans Royal Affair.