Après avoir assidument fréquenté l'école de théâtre de son collège, le jeune Paul Dano est très vite passionné par la comédie. Une fois son cursus scolaire bouclé, il décroche un rôle dans la comédie familiale The Newcomers, en 2000. Dès l'année suivante, il obtient le rôle principal du sombre et dérangeant Long Island Expressway (L.I.E.), Grand Prix à Sundance, où son rôle d'adolescent perdu et naïf fait forte impression et lui vaut l'Independent Spirit Award du Meilleur espoir masculin.

Dès lors, Paul Dano, frêle jeune homme au visage énigmatique, est considéré comme l'un des grands espoirs hollywoodiens. En 2002, il est à l'affiche du drame Le Club des empereurs, puis incarne un étudiant timide avec les filles dans la comédie The Girl Next Door (2003). Il s'illustre au générique du thriller Taking lives, destins violés aux côtés de nombreuses stars comme Angelina Jolie ou Ethan Hawke, puis il s'oppose à Daniel Day-Lewis dans The Ballad of Jack and Rose (2005). Mais c'est son incarnation de Dwayne, l'ado silencieux (et hilarant) de la comédie douce-amère Little Miss Sunshine, qui lui apporte la consécration en 2006.

En 2008, Dano poursuit son joli début de carrière en retrouvant Daniel Day-Lewis (qui fait l'éloge de son jeu d'acteur auprès du réalisateur Paul Thomas Anderson), dans There Will Be Blood, ambitieuse fresque sur l'odyssée de l'or noir aux Etats-Unis dans laquelle il livre une prestation confondante. Il tourne également sous la direction d'Ang Lee (Hôtel Woodstock) et prête sa voix à Spike Jonze pour son Max et les maximonstres (2009). Puis il donne la réplique à Zooey Deschanel dans Gigantic, dont il est également le producteur exécutif. Privilégiant les productions indépendantes à l'image de The Good Heart de Dagur Kari, où il campe un adolescent SDF suicidaire, il est également courtisé par Hollywood, et s'affiche aux côtés de Tom Cruise dans le film d'action Night and Day (2010).

Se frayant toujours un chemin entre films d'auteurs et blockbusters, Paul Dano mord la poussière dans le western moderne La Dernière Piste face à Michelle Williams, puis est confronté aux aliens en compagnie de Daniel Craig et Harrison Ford dans Cowboys & envahisseurs (2011). Il réalise ensuite le rêve de nombreux jeunes acteurs : jouer face à Robert De Niro. Dans Monsieur Flynn, Paul Dano interprète ainsi le fils du mythique acteur. Dans un rôle plus singulier, il fait un détour par la science-fiction dans Looper avant de retrouver les deux réalisateurs de Little Miss Sunshine pour une nouvelle comédie haute en couleurs : Elle s'appelle Ruby (2012). Il y donne la réplique à sa petite amie Zoe Kazan (scénariste du film), incarnant un écrivain qui, grâce à sa plume, donne naissance à la fille de ses rêves.

Toujours en 2012, Paul Dano se glisse dans la peau de l'un des maîtres tyranniques de Solomon Northup dans le prestigieux film de Steve McQueen, 12 Years a Slave, mondialement encensé par la critique et le public. Quelques mois plus tard, on le retrouve en jeune homme perturbé et soupçonné de l'enlèvement de la fille de Hugh Jackman dans le sombre thriller Prisoners réalisé par Denis Villeneuve.

2015 marque une période fructueuse et variée pour l'acteur. Dans le biopic Love and Mercy, il ressuscite dans ses jeunes années le génie musical de Brian Wilson, brillant chanteur tourmenté des Beachs Boys. On le retrouve également dans le film Youth de Paolo Sorrentino, en compétition au festival de Cannes. Paul Dano partage l'affiche avec Michael Caine et Harvey Keitel, qui incarnent deux hommes tentant de profiter de leur dernière tranche de vie malgré l'angoisse du temps qui passe. Il poursuit avec Swiss Army Man, dans lequel il joue un homme désespéré qui découvre un mystérieux cadavre incarné par Daniel Radcliffe...

Variant les supports et les genres, Paul Dano se glisse dans la peau de Pierre Bézoukhov, héros fragile de la série Guerre et Paix adaptée du roman de Léon Tolstoï, puis dans celle d'un prisonnier cherchant à se faire la malle en compagnie de Benicio Del Toro dans Escape at Dannemora (tirée d'une histoire vraie). En 2019, il est choisi pour jouer l'un des antagonistes de The Batman porté par Robert Pattinson : Edward Nashton / Sphinx alias L'Homme-mystère. Prochainement, on le verra dans le Spielberg The Fabelmans, inspiré de l'enfance en Arizona du plus célèbre des réalisateurs. Dano jouera le père du petit héros.