Né d'un père comédien et d'une mère costumière, August Dielhl reçoit une éducation artistique très marquée. Son frère choisit de devenir compositeur tandis que le jeune August se dirige vers le métier d'acteur. Durant son enfance, il est amené à déménager à de nombreuses reprises, ce qui lui permet d'habiter successivement à Hambourg, Vienne, Düsseldorf, en Bavière et en France. Au fil de ses déplacements, il apprend à développer certaines habilités, et parle ainsi espagnol, allemand, français et anglais.

Il revient ensuite à Berlin pour suivre des cours de théâtre et se fait rapidement remarquer. En 2000, il est désigné comme l'une des stars montantes du cinéma européen par la "European Film Promotion", avant d'être compté parmi les acteurs allemands les plus importants de sa génération par le magazine "Gala" en 2006.

Après avoir enchaîné les tournages dans son pays d'origine pendant près de dix ans, l'acteur opère une percée internationale avec sa performance dans le film oscarisé Les Faussaires, dans lequel il incarne un prisonnier de camp de concentration qui cherche à saboter une opération de grande ampleur mise en place par les nazis. Ce rôle lui permet ensuite d'exporter ses talents de comédien à l'étranger. Il est ainsi repéré par Tarantino qui fait appel à lui pour Inglourious Basterds. Diehl y campe un soldat nazi au sang-froid redoutable, aux côtés de ses compatriotes Michael Fassbender et Diane Kruger. Grâce à sa prestation remarquée, il décroche l'année suivante un rôle dans le film d'espionnage Salt et donne la réplique à la très glamour Angelina Jolie.

Mais ce coup de projecteur ne l'empêche pas d'alterner entre grosses productions et films plus indépendants. Il continue ainsi de tourner régulièrement en Allemagne et, en 2011, il est à l'affiche du drame en costume Confession d'un enfant du siècle, où il campe un héros romantique aux côtés de Pete Doherty et Charlotte Gainsbourg.

En 2015, le comédien est le héros du nouveau film de Christian Carion, En mai fais ce qu'il plaît. Il y incarne Hans, un allemand opposant au régime nazi à la recherche de son fils, en exode sur les routes de France afin de fuir l'armée du Reich. Prochainement, il se glissera dans la peau de Karl Marx dans Le jeune Karl Marx, biopic sur le célèbre philosophe mis en scène par Raoul Peck. August est également à l'affiche en 2016 de Diamant Noir, thriller tendu avec Niels Schneider. Il côtoie ensuite Brad Pitt et Marion Cotillard dans Alliés, film de guerre sur fond de romance et d'espionnage mis en scène par Robert Zemeckis.

Tournant beaucoup, le natif de Berlin privilégie les films historiques et autres biopics avec une régularité impressionnante, comme en témoignent ses prestations dans L'Empereur de Paris, Kursk, Une vie cachée, Le Dernier Vermeer, L'Étau de Munich, L'Espion de Dieu, Le Maître et Marguerite ou encore La Disparition de Josef Mengele.