Il suo volto ha dato forma ad una moltitudine di personaggi particolarmente interessanti, quali Orazio nell'adattamento zeffirelliano di Amleto, il reporter Michael Henderson nel war-drama Benvenuti a Sarajevo, nonché il consorte della tormentata Virginia Woolf in The Hours.
Londinese di origine, Stephen Dillane cresce nella contea di Kent sotto le amorevoli cure di papà, un chirurgo australiano, e di mamma, inglese doc. Grazie alla laurea in giornalismo, brillantemente conseguita con una tesi in "Storia e Scienza della Politica" presso l'Università di Exeter, il giovane ottiene un posto come corrispondente al Croydon Advertiser.
Trentasei mesi più tardi, però, molla le ambizioni cronistiche per abbracciare il mondo del palcoscenico. Stephen decide dunque di studiare recitazione iscrivendosi, così, al Bristol Old Vic Theatre School. In seguito, calca le scene cimentandosi nei ruoli più sfaccettati, come quello di Henry in "The Real Thing" di Tom Stoppard che gli frutta nientemeno che un Tony Award. Il suo esordio televisivo risale a metà degli anni '80, in un episodio della serie a tinte gialle Mai Dire Sì, dove compare in un cameo. Il 1987 lo vede debuttare su celluloide, nel lungometraggio indipendente Business as Usual.
Tra il 2000/2004, Dillane è il poliziotto che sta alle calcagne di Un Perfetto Criminale come Kevin Spacey, viene misteriosamente ucciso in The Truth About Charlie e si cala nelle vesti di un Merlino guerriero in King Arthur. Il 2005 lo trova a litigare con Holly Hunter in 9 vite da donna, a scoprire un talento calcistico in Goal! Il Film, nonché a lanciare - con uno swing - la pallina dritta in buca, nei panni del golfista Harry Vardon, ne Il più bel gioco della mia vita.
Nel 2007, incarna il magnate Brooks Baekeland nel melodramma familiare Savage Grace ma anche un polacco, scampato alle atrocità del conflitto, in Fugitive Pieces.
Successivamente, interpreta Carlo Magno nel romance bellico Love and Virtue, è un medico perseguitato da un folle nel thriller soprannaturale Freakdog e gira il gangster movie 44 Inch Chest. L'attore ha due figli dalla collega e compagna Naomi Wirthner.