Né à New York, Dylan a grandi à Springfield Township, dans le New Jersey, jusqu'à l'âge de 12 ans où il s'est installé à Hermosa Beach, en Californie, avec sa famille. Son père, Patrick, est caméraman et sa mère, Lisa O'Brien, est une ancienne actrice ; il a également une sœur aînée, prénommée Julia (née en 1990)
À l'âge de 14 ans. Dylan a commencé à poster des vidéos sur son compte YouTube. Une productrice tomba sur celles-ci et le contacta afin qu'ils travaillent ensemble sur une web-série.
En 2009, il est ressorti diplômé du lycée Mira Costa High School (en). Dylan souhaitait étudier le cinéma à l'université de Syracuse, à l'automne 2009, mais il a finalement décidé de s'installer à Los Angeles afin de poursuivre sa carrière d'acteur5.

Teen Wolf (2011-2015)
Entre temps, Dylan a rencontré un acteur qui l'a mis en contact avec un agent artistique. Il a passé de nombreuses auditions sans succès (pour les films Valentine's Day et L'Aube rouge) avant d'auditionner pour la série Teen Wolf. Alors que son agent lui avait conseillé d'auditionner pour le rôle de Scott McCall, Dylan a préféré auditionner pour le rôle de Stiles. Au bout de quatre auditions, il a eu le rôle de Stiles Stilinski. La série est diffusée sur la chaîne MTV depuis juin 2°11 et réalise de bonnes audiences pour la chaîne. La série est adaptée du film éponyme sortis en 1985 et qui mettait en scène Michael J. Fox.
Toujours en 2011, il apparaît dans le film High Road dans lequel il incarne l'un des rôles principaux.
En 2012, il est à l'affiche de la comédie romantique The First Time avec Brittany Robertson. Le film les met en scène dans les rôles principaux, deux personnages qui, au cours d'une soirée, vont se rencontrer puis se connaître et, tout au long du film, tomber progressivement amoureux l'un de l'autre pour la première fois de leur vie. The First Time reçoit un accueil plutôt mitigé de la part des critiques6 et sort dans un nombre de salles très limité auxÉtats-Unis.
Le 7 juin 2013 sort le film Les Stagiaires dans lequel il incarne Stuart Twombly, l'un des rôles principaux, aux côtés de Vince Vaughn, Owen Wilson et Rose Byrne. Le film obtient des critiques mitigées lors de sa sortie8, et reçoit un accueil assez froid de la part des spectateurs, recueillant 44,6 millions de dollars de recettes aux États-Unis pour un budget de 58 millions. Il fait mieux à l'étranger en récoltant un total de 93,4 millions de dollars.

Premiers succès au cinéma (depuis 2014)
En avril 2014, Dylan obtient le rôle principal dans le drame/thriller/action, Le Labyrinthe (The Maze Runner), inspiré du roman éponyme de James Dashner paru en 2012 et tourné de mai à juillet 2013 à Bâton-Rouge, en Louisiane, pour sortir au cinéma le 19 septembre 2014 aux États-Unis. C'est le premier gros succès de Dylan O'Brien au cinéma : lors de son week-end d'ouverture, le film attire un grand public en récoltant plus de 32,5 millions de dollars de recettes (le budget du film était de 34 millions) et reçoit de bonnes critiques. Le deuxième volet sort le 18 septembre 2015 intitulé Le Labyrinthe : La Terre brûlée (Maze Runner: The Scorch Trials) qui s'est tourné d'octobre 2014 à janvier 2015 et connaissant le même succès que le premier film, récoltant plus de 267 millions de dollars de recettes dans le monde durant sa première semaine11.
Autres
En dehors de sa carrière d'acteur, Dylan a réalisé, produit et joué dans de nombreuses web-séries (qui sont sur son compte YouTube). Il est également le batteur du groupe de rock Slow Kids at Play, mais ne jouera pas dans le nouvel EP, se concentrant sur son engagement au cinéma. Il joue du piano depuis qu'il a 4 ans. C’est un grand fan des Mets (de New York), une équipe américaine de baseball.

Vie privée
Dylan était a la base un pure hétéro, mais voila après quelque soirée avec Colton il a fini par se laisser convaincre d'essayer les relation avec les hommes, et Colton fut sa première fois. D'ailleurs se dernier a était très attentionnée durent sa première fois, se qui avait vraiment surpris Dylan pour le coup. Après cette nuit la ils ont recommencer plusieurs fois juste pour le sexe sans aucun autre sentiment que de l'amitié , d'ailleurs parfois leurs partie de jambe en l'air finissait en fou rire.Puis il y a quelque année de ça Dylan c'est lier d'amitié avec Christopher Pratt, qui commence a se faire un nom dans le cinéma. A la base de simple ami, cela a vite changer durent une soiré de défit a la con ou ils ont fini par coucher ensemble. Après un dispute quelque temps plus tard que dylan a appris que Chris était marié, Pratt a du lui avouer avoir des sentiment pour lui , aujourd'hui il sorte ensemble mais ne le montre pas encore au grand jour .