Jamie Dornan estreou nas telonas sob a direção de Sofia Coppola na biografia Maria Antonieta (2005), onde fez Axel von Fersen, amigo intímo da rainha interpretada por Kristen Dunst. Ele seguiu fazendo trabalhos como modelo até ser escalado para um importante papel no drama Shadows in the Sun (2009).

2011 foi o ano de estréia de Dornam na televisão, quando ele participou de alguns episódios da série Once Upon A Time, fazendo aparições na primeira e segunda temporada do show. Mas foi interpretando o serial killer Paul Spector, na série The Fall ao lado de Gillian Anderson, que o ator ganhou um maior reconhecimento em sua carreira, sendo indicado a um Bafta Awards pelo papel. O sucesso foi tanto que a segunda temporada foi confirmada para 2014. Ainda na televisão, Dornan participou da minissérie britânica New Worlds (2014).

O ator voltou ao mundo cinematográfico como protagonista do drama Flying Home, mas chamou a atenção mundial ao ser escalado para interpretar Christian Grey em Cinquenta Tons de Cinza (2015) e outros dois filmes da série, adaptação do polêmico best-seller de E. L. James, onde ele faz par romântico com Dakota Johnson.

Após sua fama aumentar ainda mais com os filmes de Cinquenta Tons, Dornan fez alguns filmes entre as pausas dos outros dois longas da saga, são eles: A Nona Vida de Louis Drax (2014), The Siege of Jadotville (2016), Operação Anthropoid (2016), Meu Jantar com Hervé (2016), ao lado de Peter Dinklage.

No seu último ano como Christian Grey, em 2018, Dornan fez mais três filmes: Sem Rumo, A Private War e uma adaptação de Robin Hood. 

Livre de seu personagem, par de Dakota Johnson no filme, Dornan seguiu com dois filmes no ano de 2019, algo que foi bem celebrado pela crítica. Amor a Três, junto com Sebastian Stan e Shailene Woodley, Dornan faz o carismático autor de livros e estudioso. Mais tarde, fez filme com Anthony Mackie, o drama sci-fi Synchronic, onde ambos vivem paramédicos em meio de uma epidemia de uma droga alucinógena.

Entre 2020 e 2021, Dornan fez dois filmes de comédia, Além das Montanhas (2020) e Duas Tias Loucas de Férias (2021), além de uma peça de teatro. Por fim, em 2021 voltou aos dramas, ao interpretar um pai trabalhador no filme Belfast, que o fez concorrer a um Globo de Ouro por Melhor Ator Coadjuvante. O filme ainda concorre a um Globo de Ouro por Melhor Filme, Melhor Direção, por Melhor Ator Coadjuvante e Atriz Coadjuvante, além Melhor Canção Original.