Una presencia constante en el mundo de la actuación, y uno de los actores más aclamados de su generación, Peter Dinklage primero redefinió el concepto de protagonista en la película de 2003 Vías cruzadas. Esta cinta de Tom McCarthy tuvo su estreno mundial en el Festival de Cine de Sundance, donde ganó el Premio del Público, y a partir de ahí se convirtió en un éxito del cine independiente; la interpretación de Dinklage (acompañado por Patricia Clarkson y Bobby Cannavale) le valió sendas nominaciones al Premio del Sindicato de Actores y al Premio Independent Spirit, entre otros reconocimientos.

Su papel más emblemático es el de Tyrion Lannister en el fenómeno global Juego de tronos; protagonista de esta épica serie de televisión desde su estreno en 2011 hasta su episodio final en 2019, Dinklage ha ganado por este trabajo cuatro Premios Emmy y un Premio del Sindicato de Actores, entre otros galardones.

También ganó, junto al resto de sus compañeros de reparto, el Premio del Sindicato de Actores al Mejor Reparto en una Película, por Tres anuncios en las afueras, de Martin McDonagh.

Otros notables trabajos del actor incluyen ¿Estamos solos?, dirigida por Reed Morano, junto a Elle Fanning, película de la que también fue productor y que ganó el Premio Especial del Jurado a la Excelencia Cinematográfica en el Festival de Cine de Sundance; el clásico de culto de Tom DiCillo Vivir rodando; I Care a Lot, dirigida por J Blakeson; X-Men: Días del futuro pasado, de Bryan Singer; tanto la versión británica como la estadounidense de la comedia Un funeral de muerte, dirigidas respectivamente por Frank Oz y Neil LaBute; las películas de Ice Age, donde Dinklage prestó su voz al personaje del capitán Gutt; Declaradme culpable, de Sidney Lumet; Tres Jesucristos, dirigida por Jon Avent; y Rememory, de Mark Palansky, con Anton Yelchin.

Dinklage encarnó al actor Hervé Villechaize en el telefilm Mi cena con Hervé, de Sacha Gervasi, producción de la que también fue productor ejecutivo, labor que le valió nominaciones a los Premios Emmy, los Premios del Sindicato de Productores y los Premio de la Crítica Cinematográfica. En 2016, el actor creó junto a David Ginsberg la productora Estuary Films.

Sus créditos teatrales incluyen A Month in the Country con la Classic Stage Company, Things We Want con The New Group, obra por la que recibió una nominación a los Premios Drama League; un papel en la premiere mundial de Knickerbocker en el Festival de Teatro de Williamstown, y el papel protagonista en las obras Ricardo III, Tío Vania y Cyrano, esta última adaptada y dirigida por la guionista de CYRANO, Erica Schmidt, y coprotagonizada por Haley Bennett, donde también encarnaba a Roxanne.