Il déménage en Australie à Sydney à l'âge de deux ans avec son père norvégien et sa mère irlandaise, puis étudie dans une école de coaching/performing afin de devenir acteur. Il suit par la suite des cours de comédie à la Western Australian Academy of Performing Arts à Perth en Australie, tout comme les futurs comédiens Hugh Jackman et Frances O'Connor. Alors qu'il commence à travailler comme jardinier paysagiste, il fait ses débuts comme comédien en 1997 dans la courte série australienne Raw FM où il tient l'un des rôles principaux et apparaîtra dans Hartley, cœurs à vif en 1999.

Il obtient sa carte verte en 2000, ce qui lui permet de s'installer à Los Angeles (États-Unis) pour quelques années. Après avoir obtenu le premier rôle dans John Doe, il s'installe à Vancouver, avec sa femme Rebecca et ses quatre enfants. Il rencontre un succès dans plus de 100 pays en interprétant Lincoln Burrows, l'un des deux héros principaux de la série télévisée américaine Prison Break. En 2011, il joue aux côtés de Robert De Niro, Clive Owen et Jason Statham dans le film Killer Elite. En 2014, il retrouve son camarade de Prison Break Wentworth Miller pour la série super héroïques The Flash pour quelque épisodes puis en 2016 dans DC's Legends of Tomorrow .

Le 6 août 2015, la Fox annonce que Prison Break reprendra pour une nouvelle saison de 9 épisodes qui sera diffusée en 2017. Dominic Purcell reprendra donc son rôle de Lincoln Burrows pour 9 épisodes avec ses partenaires Wentworth Miller (Michael Scofield) et Sarah Wayne Callies (Sara Tancredi). Lors du tournage, Dominic Purcell se blesse grièvement au visage.