Paul Dano nasceu em Nova York, Estados Unidos, estrelando papeis de destaque em Pequena Miss Sunshine e The Batman. O ator passou os primeiros anos de sua infância na cidade e frequentou a Browning School.

Quando criança, sua família mudou-se para Connecticut, estabelecendo-se em Wilton. Dano continuou sua educação na Wilton High School, graduando-se em 2002 e voltando para Nova York para estudar no Eugene Lang College. O ator despertou seu interesse pela atuação participando de teatro comunitário.

Dano foi notado por papeis em peças clássicas da Broadway, fazendo sua estréia aos 12 anos na remontagem de John Tillinger de "O Vento Será Tua Herança", ao lado de George C. Scott e Charles Durning. Paul apareceu em um episódio da sitcom Gênio do Barulho e teve um papel menor no drama Travessuras da Juventude (2000), além de interpretar Patrick Whalen, em alguns episódios da 4ª temporada de Família Soprano.

Paul atuou em seu primeiro papel importante no cinema quando tinha dezesseis anos, interpretando Howie Blitzer, em L.I.E. (2001). Logo depois, apareceu no filme de televisão Muito Jovem Para Ser Pai, como um estudante do ensino médio cuja vida foi interrompida quando sua namorada ficou grávida. Dois anos depois, em 2004, ele desempenhou um pequeno papel como o jovem Martin Asher em Roubando Vidas, com Angelina Jolie e Ethan Hawke. Em 2005, ele trabalhou como coadjuvante em The King e O Mundo de Jack e Rose.

Em 2007, o ator teve um papel duplo no longa Sangue Negro, lhe rendendo críticas positivas e uma indicação ao BAFTA de Melhor Ator Coadjuvante. A revista Texas Monthly chegou a dizer que seu desempenho foi "tão elétrico que o filme cai sempre que ele não está por perto". Dano também realizou um grande trabalho em Pequena Miss Sunshine (2016), interpretando Dwayne, um adolescente voluntariamente mudo e também ganhando elogios da crítica especializada.

No ano de 2012, Paul estrelou o thriller de viagem no tempo Looper - Assassinos do Futuro, em um papel coadjuvante com Joseph Gordon-Levitt e Bruce Willis. Ainda no mesmo ano, atuou com Robert De Niro em A Família Flynn. Em 2013, Dano apareceu no drama de época, do diretor Steve McQueen, 12 Anos de Escravidão, baseado nas memórias de Solomon Northup. O filme foi um grande sucesso de crítica, ganhando o Oscar de Melhor Filme e outros prêmios.

O ator interpretou, em 2015, uma versão mais jovem do fundador dos Beach Boys, Brian Wilson, com John Cusack como uma versão mais velha de Wilson, no filme biográfico The Beach Boys - Uma História de Sucesso, pelo qual recebeu uma indicação ao Globo de Ouro de Melhor Ator Coadjuvante.

Três anos mais tarde, ele estrelou prisioneiro fugitivo David Sweat na minissérie Escape at Dannemora (2018), ao lado de Patricia Arquette e Benicio Del Toro, recebendo uma indicação para o Primetime Emmy Award de Melhor Ator Coadjuvante.

Em Outubro de 2019, Paul foi escalado para o elenco do filme The Batman, dirigido por Matt Reeves. No longa, o ator interpreta o Charada, um dos grandes inimigos do Batman, interpretado po Robert Pattinson.

Além de ator, Dano tem também seu lado músico. Ele é vocalista e guitarrista principal da banda de rock alternativo Mook.