Dean Semler ha cominciato la sua carriera in Australia, dove è nato, curando la fotografia di Interceptor - Il guerriero della strada diretto da George Miller nel 1982, film per cui Semler ha ricevuto una nomination dall'Australian Film Institute (AFI). Semler ha lavorato nuovamente con Miller per Mad Max - Oltre la sfera del tuono. Semler ha vinto un AFI e il premio dell'Australian Cinematographers Society per il thriller australiano Razorback - Oltre l'urlo del demonio. Alla fine degli anni Ottanta, Semler era già direttore della fotografia di numerose produzioni statunitensi, da Cocktail con Tom Cruise e Bryan Brown, al western Young Guns - Giovani pistole. L'anno successivo, nel 1989, Semler tornò in Australia per lavorare in Ore 10: calma piatta, con protagonisti Nicole Kidman e Sam Neill, film per cui ha vinto l'AFI.
Dopo le riprese del seguito di Young Guns, nel 1990, Semler girò per Kevin Costner Balla coi lupi, per cui ricevette numerosi riconoscimenti, tra cui un Oscar e il premio dell'American Society of Cinematographers (ASC). Nel 1995 ha lavorato nuovamento con Costner per il film Waterworld. Durante gli anni Novanta e nella decade successiva, Semler ha fotografato le commedie Scappo dalla città: la vita l'amore e le vacche, La famiglia del Professore Matto, Una settimana da Dio e Agente Smart - Casino totale. Inoltre ha lavorato al film epico di Mel Gibson Apocalypto.
Recentemente, Semler è stato direttore della fotografia per Roland Emmerich in 2012, e in Secretariat, con Diane Lane e Scott Glenn.