Dornan nació en Holywood, County Down, cerca de Belfast, en Irlanda del Norte.​ Sus abuelos paternos y maternos eran predicadores metodistas. A los quince años, su madre Lorna falleció a causa de cáncer pancreático, y su padre, Jim Dornan, es un médico ginecoobstetra quien también tuvo interés en la actuación. Su padre murió por complicaciones relacionadas con el COVID-19 el 15 de marzo de 2021.​ Tiene dos hermanas mayores: Liesa Dornan, quien trabaja para Disney en la ciudad de Londres y Jessica Dornan-Lynas, una diseñadora de modas radicada en Inglaterra. Es también pariente de la actriz Greer Garson por su abuela, quien era su prima. Su padre fue director del área de Medicina fetal del Royal Maternity Hospital y presidente de Northern Ireland Tiny Life. También fue vicepresidente senior del Royal College of Obstetricians and Gynaecologists, profesor en Queen's University Belfast y University of Ulster.

Asistió al internado Methodist College en Belfast, donde se destacó en rugby y en teatro.​ Posteriormente ingresó a la Universidad Teesside, pero abandonó sus estudios para trasladarse a Londres e iniciar su entrenamiento como actor.

Inició su carrera como modelo de las empresas de moda Levi Strauss & Co. y Calvin Klein. Fue miembro de la banda de música Sons of Jim que formó en 2002 con su compañero de escuela David Alexander y que se disolvió en 2008. La banda obtuvo su nombre debido a que el padre de ambos miembros se llama Jim.​ En 2006 realizaron una gira por el Reino Unido junto a la cantautora escocesa KT Tunstall.​ En 2003 conoció a la actriz Keira Knightley durante una sesión de fotos para la marca Asprey, quien le presentó a su agente de talento de la firma Peters, Fraser & Dunlop.

En 2006 participó en la película Maria Antoinette bajo la dirección de Sofia Coppola y donde obtuvo un papel secundario de soldado.​ Ha modelado para Calvin Klein (junto a Kate Moss y Eva Mendes),​ Christian Dior, Aquascutum (junto a Gisele Bündchen) y Armani, entre otras marcas.​ Dos años después consiguió el papel principal de Ed en la cinta de terror Beyond the Rave producida por Hammer Film Productions, la cual recibió reseñas negativas por parte de los críticos de cine.​ En 2009 actuó en la película dramática Shadows in the Sun, dirigida por David Rocksavage, y en la que compartió elenco con la actriz tres veces nominada a los premios Óscar Jean Simmons.​ El filme recibió críticas positivas tras su preestreno en el Festival de Cine Británico de Dinard.​

En 2011 apareció en ocho episodios de Once Upon a Time, una serie televisiva de la cadena ABC en la que interpretó al sheriff Graham. Aunque el personaje de Graham fue asesinado por la alcaldesa de la ciudad en el episodio The Heart Is a Lonely Hunter,​ Dornan declaró que volvería a participar en la serie como el cazador del bosque encantado, y de hecho consiguió establecerse de forma regular en la serie.​ En el episodio final, a Land Without Magic, encarnó una vez más al cazador.

El 26 de marzo de 2012, el portal de noticias TVWise reportó que había sido seleccionado junto a Gillian Anderson para interpretar la serie dramática norirlandesa The Fall que fue emitida en RTÉ Television de Irlanda, BBC Two del Reino Unido y BBC America en los Estados Unidos.​ Dornan interpreta a Paul Spector, un asesino en serie que aterroriza Belfast. Admitió haber acosado físicamente a una mujer durante su preparación para el papel. A mitad de la emisión de la serie, el 1 de mayo de 2013, el contrato del programa fue renovado para la grabación de una segunda temporada.

El 23 de octubre de 2013, Dornan fue elegido para interpretar el papel de Christian Grey en la adaptación cinematográfica de Cincuenta sombras de Grey junto a Dakota Johnson, en sustitución de Charlie Hunnam. En principio el estreno de la película estaba programado para el 1 de agosto de 2014, pero fue postergado para febrero de 2015. ​La película se estrenó el 11 de febrero de 2015 en el Festival Internacional de Cine de Berlín. Dornan ya acabó de grabar las dos secuelas de la misma franquicia Cincuenta sombras más oscuras que se estrenó en febrero de 2017 y Cincuenta sombras liberadas, última entrega de la trilogía que se estrenó el 9 de febrero de 2018.

A finales de 2018, se convirtió en el nuevo "rostro" de la fragancia Boss The Scent para Hugo Boss, junto a la modelo holandesa Birgit Kos.