Figlio di un docente di legge e di una casalinga, Dermot Mulroney cresce in Virginia, dove frequenta la Maury Elementary School. La sua passione è però tutta musicale all'inizio, infatti, è un ottimo suonatore di violoncello sia nella banda della scuola che in quella cittadina. Anche la recitazione lo impegna fin da piccolo, non per niente è uno dei membri della compagnia teatrale dei bambini della città e diventerà poi uno degli attori liceali del George Washington Middle School che con lui metterà in scena "Are Teachers Human?". Diplomato alla T.C. Williams High School nel 1981, vorrebbe seguire le orme del fratello Kieran Mulroney, anche lui attore, ma poi preferisce iscriversi alla Northwestern University, dove frequenta comunque i corsi di recitazione. Dopo la laurea, avvenuta nel 1985, entra in nella band "The Low & Sweet Orchestra" e comincia a fare delle piccole tournée, anche se nel frattempo riesce a procurarsi qualche ingaggio come attore televisivo: le fiction con Burt Reynolds Shattered If Your Kid's on Drugs (1986) di Burr Smidt, Sin of Innocence (1986) di Arthur Allan Seidelman con Dee Wallace, Daddy(1987) di John Herzfeld con Patricia Arquette e Danny Aiello e Long Gone (1987) di Martin Davidson con Virginia Madsen, ma anche qualche episodio di Saranno famosi (1986) firmato da Michael Vejar accanto a Don Cheadle e Debbie Allen e qualche particina al programma "CBS Schoolbreak Special" (1986) di Anson Williams.

Giovane pistola
Il debutto cinematografico è invece è in pompa magna. Sarà diretto nientemeno che da Blake Edwards in Intrigo a Hollywood (1988), accanto a Bruce Willis, Malcolm McDowell, Mariel Hemingway, Kathleen Quinlan, M. Emmet Walsh e Joe Dallesandro, anche se il film che lo mette maggiormente in luce è Youg Guns - Giovani pistole (1988) con Terence Stamp, che lo impone come uno degli attori emergenti più promettenti.

Il matrimonio con Catherine Keener
Importantissimo il suo matrimonio con l'attrice indie Catherine Keener, conosciuta nel 1987 sul set della pellicola Survival Quest (1989) e spostata nel 1990. Molto spesso compagna di set, la Keener lo rende padre di un figlio Clyde, nato nel 1999. Disgraziatamente però, la relazione naufragherà nel 2007 con un brutto divorzio.

Il bacio con Winona Ryder
Grande amico di Brad Pitt, accompagna con il violoncello Melissa Etheridge nel singolo "Place Your Mind" contenuto nell'album "Never Enough" (1992), nel contempo ha occasione di recitare accanto a Vincent Price e Dennis Hopper nel film tv The Heart of Justice (1992). Si impone all'attenzione del grande pubblico con le parti del belloccio sexy e un po' peccaminoso, come in Nome in codice: Nina (1993) con Harvey Keitel, Quella cosa chiamata amore (1993) con River Phoenix - che poi ritroverà nel film Silent Tongue (1994) - e Gli anni dei ricordi (1995), per il quale sarà nominato con Winona Ryder al MTV Movie Award per il miglior bacio. A questi titoli si aggiunge anche il thriller Copycat - Omicidi in serie (1995) con Sigourney Weaver e Kansas City (1996) di Robert Altman.

Il matrimonio del mio migliore amico
Ma forse la pellicola nella quale lo si ricorda meglio è la commedia hollywoodiana Il matrimonio del mio migliore amico (1997) di Paul J. Hogan, accanto a Julia Roberts, Cameron Diaz e Rupert Everett, all'interno della quale recita il ruolo di Michael, borghese in fase di matrimonio che vede mettere a rischio il suo matrimonio dalla sua migliore amica che lo vorrebbe tutto per sé. Il film, oltre a un buon successo, gli permetterà di diventare uno dei migliori amici di Julia Roberts.

Altri film
Nel 1999, lavora accanto a Paul Newman ne Per amore... dei soldi, poi sarà accanto a Glenn Close ne La sicurezza degli oggetti (2001), con Nick Nolte ne Trixie (2001) e ne Sesso ed altre indagini (2001), diventando uno degli attori prediletti di Alan Rudolph. Dopo A proposito di Schmidt (2002) con Jack Nicholson e qualche puntata di Friends (2003), sceglie per un po' la musica entrando nella banda Cranky George Trio e suonando il violoncello nella parte musicale di Mission: Impossible III (2006), ma ritorna al grande schermo con Donne, regole... e tanti guai! (2007) con Jane Fonda. Dopo il drammatico Figlia del silenzio (2008) e il thriller Flash of Genius (2009), nel 2012 prende parte a Qualcosa di straordinario, nel quale viene diretto da Ken Kwapis e recita al fianco di Drew Barrymore e John Krasinski, e a The Grey di Joe Carnahan con Liam Neeson. Nel 2013 è Mike Markkula nel biopic su Steve Jobs Jobs. Nel 2016 è nel cast della commedia Nonno scatenato al fianco di Robert De Niro e Zac Efron e l'anno dopo passa all'action con Sleepless - Il Giustiziere di Baran Bo Odar. Tra le più recenti interpretazioni troviamo il thriller The Courier (2019), la commedia The Prom (2020) e l'horror Scream VI (2023).