Dylan O'Brien nasceu na cidade de Nova York, filho de Lisa Rhodes, uma ex-atriz que também dirigia uma escola de atuação, e Patrick B. O'Brien, operador de câmera. Seu pai é descendente de irlandeses e sua mãe tem ascendência inglesa, espanhola e italiana. Dylan cresceu em Springfield Township, Union County, New Jersey, antes de se mudar com sua família para Hermosa Beach, Califórnia, quando tinha 12 anos. Antes de ser mordido pelo vírus da atuação, Dylan planejou estudar cinema e se tornar um diretor de fotografia, assim como seu pai. Mas assim que ele conseguiu o papel do companheiro pateta de Scott (Tyler Posey) Stiles em Teen Wolf (2011), ele decidiu adiar a escola (ele estava inicialmente sob consideração para o papel de Scott, mas ele estava mais interessado em interpretar Stiles).
Dylan desenvolveu uma extensa lista de seguidores no YouTube para uma série de curtas cômicos online que ele dirigiu, produziu e estrelou.Estreou no cinema como uma das estrelas do longa-metragem independente totalmente improvisado High Road (2011), dirigido pela Upright Citizens Brigade.O primeiro papel principal de O'Brien em um filme foi interpretar Dave na comédia The First Time (2012), ao lado de Britt Robertson e dirigido por Jonathan Kasdan.Posteriormente, ele teve um papel coadjuvante, interpretando o especialista em tecnologia Stuart, na comédia de Vince Vaughn / Owen Wilson The Internship (2013), e estrelou o filme de aventura de fantasia The Maze Runner (2014), também estrelado por Will Poulter e Kaya Scodelario, bem como sua sequência, Maze Runner: The Scorch Trials (2015) e o filme final, The Death Cure (2018).Ele conseguiu o papel de Stu no primeiro episódio de Weird City (2019) e também conseguiu o papel de Sam Taylor no primeiro episódio de Amazing stories (2020).Ele fez dois outros filmes nesse ínterim, Love and Monsters and Flashback (não lançado).
