Su papel más conocido hasta la fecha es el de Tyrion Lannister en la serie Juego de tronos (HBO), el cual le ha valido cuatro Emmy y un Globo de Oro. También ha participado en proyectos como la independiente The Station Agent (2003), Elf (2003), Find Me Guilty (2006), Underdog (2007), Death at a Funeral (2007), remake de 2010, Las crónicas de Narnia: el príncipe Caspian (2008) y X-Men: días del futuro pasado (2014). El actor está casado con Erica Schmidt, con la que es padre de dos hijos.

En 2009, Dinklage fue confirmado para interpretar a Tyrion Lannister en la serie que preparaba la cadena HBO de la heptalogía más conocida de George R. R. Martin, Canción de hielo y fuego.​ La serie de televisión fue estrenada en 2011 y su actuación recibió excelentes críticas.

Dinklage tuvo un papel en la película británica de 2007 Death at a Funeral. Interpreta el mismo papel en el remake estadounidense del mismo nombre estrenado en 2010. También en 2007, interpretó al villano Simon Bar Sinister en Underdog.

Fue elegido por el director Andrew Adamson para el papel de Trumpkin en la película Las crónicas de Narnia: el príncipe Caspian (2008).​ El crítico de cine Bill Gibron describió el papel como un "estereotipo cursi que Dinklage ha tratado de evitar".​ La escritora de cómics Gail Simone ha citado a Dinklage como la elección perfecta para interpretar al malvado Doctor Psycho en una posible adaptación fílmica de Wonder Woman.

El 14 de febrero de 2013, el director de cine Bryan Singer anunció a través de su cuenta de Twitter la incorporación de Peter Dinklage a X-Men: días del futuro pasado​ en el papel del antagonista principal, Bolivar Trask.