Formatosi nel clima della new wave newyorkese degli anni Ottanta, insieme ad autori indipendenti come Jim Jarmusch, Susan Seidelman, Sara Driver, inizia la sua carriera cinematografica come operatore e direttore della fotografia per l'amico Jim Jarmusch in Permanent Vacation , Stranger than Paradise e nell'episodio "Strange to meet you" (1986) di Coffee and Cigarettes (2003).

Esordio
Il suo esordio come regista è il bizzarro Johnny Suede, commedia dolceamara con un giovanissimo Brad Pitt in versione "Elvis di periferia".

I lavori autobiografici e musicali
La sua opera più personale e riuscita è il successivo Si gira a Manhattan, premiato al Sundance Film Festival nel 1994, nel quale autobiograficamente mette in scena le vicissitudini, gli imprevisti e i compromessi di un regista newyorkese (Steve Buscemi) alle prese con la realizzazione di un film indipendente a basso costo. Del 1996 è Box of Moonlight, nel quale un rigido ingegnere (John Turturro) si apre alla vita grazie all'incontro con uno sbandato ed eccentrico Sam Rockwell. In Bionda naturale DiCillo ripercorre i temi cari alla scena newyorkese indipendente da cui proviene: il bighellonare per le strade della Grande Mela, le difficoltà quotidiane della vita di coppia e il perder tempo in attesa della grande occasione della vita.
Nel 2001 torna a collaborare con Steve Buscemi in una commedia divertente e movimentata ai limiti del surreale, Double Whammy.
Dieci anni dopo eccolo dirigere un documentario sulla storica band dei Doors, When You're Strange.