Se formó con la Escuela de Teatro del Bristol Old Vic Theater. En su primera época como actor, Stephen Dillane trabajó temporadas completas en muy diversos teatros, como el Belgrade Theatre, Coventry, el Contact Theatre, Manchester y el Chester Gateway Theatre. Interpretó varios papeles protagonistas en el National Theatre, entre ellos a Archer en "The Beaux' Stratagem", a Gerry Evans en "Dancing at Lughnasa", a Edmund Tyrone en "Long Day's Journey Into Night" y a Prior Walter en "Angels In America". También protagonizó "Hush" escrita por April D'Angelis, en el Royal Court. En 1995, obtuvo el Premio Richard Burton Shakespeare Globe por su papel protagonista en "Hamlet", en el Gielgud Theatre , a las órdenes de Peter Hall. Interpretó a Clov en "Endgame", dirigido por Katie Mitchell, en el Donmar Warehouse y se metió en la piel de Artie en "Hurlyburly", para el Old Vic. También hemos podido verle interpretando al protagonista de "Tío Vania" para la Royal Shakespeare Company en el Young Vic, una vez más a las órdenes de Katie Mitchell. Regresó al Donmar Warehouse para interpretar a Henry en la obra de Tom Stoppard "The Real Thing", que en 1999 le valió el Premio Evening Standard en la categoría de Mejor Actor de Teatro. Poco después interpretó a Tony en la obra de Wallace Shawn "Our Late Night", bajo la batuta de Caryl Churchill, en el Royal Court. Volvió a retomar su papel en "The Real Thing" durante una breve temporada en el West End, antes de viajar a Broadway y trabajar en el Barrymore Theater. Una vez en Broadway, Dillane fue galardonado en el año 2000 con el Premio Tony al Mejor Actor, así como con el Premio Desk al Mejor Actor Dramático 1999/2000, y el Premio Theatre World del año 2000. Además estuvo nominado a los Premios Outer Circle en la categoría de Mejor Actor. Poco después regresó a West End para interpretar a George en "Life After George", dirigida por Michael Blakemore. En 2002, interpretó a Alexander Herzen en la Trilogía de Tom Stoppard "Costas de Utopía" en el National Theatre, a las órdenes de Trevor Nunn. Recientemente, protagonizó una obra-monólogo de "Macbeth" en el Redcat Theatre de Los Ángeles, dirigida por Travis Preston, un papel que volverá a retomar para el Almeida Theatre de Londres en Octubre/Noviembre de 2005, y en Sydney y Adelaida para el Festival Australiano que se celebrará en Febrero/Marzo de 2006.

Para la gran pantalla, Dillane ha trabajado en infinidad de títulos, entre los que se cuentan: "Hamlet", de Franco Zeffirelli, donde daba la réplica a Mel Gibson como Horacio; "Two If By Sea" (Corazones robados); "Firelight" (A la luz del fuego), dirigida por William Nicholson junto a Sophie Marceau; "Welcome to Sarajevo" dirigida por Michael Winterbottom junto a Woody Harrelson y Marisa Tomei; "The Darkest Light" dirigida por Simon ("Full Monty") Beaufoy y Bille Eltringham; "Ordinary Decent Criminal" (Criminal y decente) junto a Kevin Spacey y Linda Fiorentino, a las órdenes de Thaddeus O'Sullivan; y "The Parole Officer" (El agente de la condicional), escrita y protagonizada por Steve Coogan. En 2001 protagonizó cuatro películas: interpretó a Charles Harker en "Spy Game" (Juego de espías), dirigida por Tony Scott; a Charlie en "The Truth About Charlie" (La verdad sobre Charlie), dirigida por Jonathan Demme; a Simon en "The Gathering" (Ellos), de Brian Gilbert y a Leonard Woolf en "The Hours" (Las horas), dirigida por Stephen Daldry. El equipo de "The Hours" (Las horas) estuvo nominado a los Premios SAG en la categoría de Mejor Reparto de Película en el año 2003.

En 2004, Dillane protagonizó para Disney la película "King Arthur" (Rey Arturo), dirigida por Antoine Fuqua, donde interpretó a Merlín. También se metió en la piel de Mr. Allen en "Haven", del director Frankie Flowers e interpretó a Martin en "Nine Lives" (Ladrones de mentes), dirigida por Rodrigo Garcia, que se estrenó en Sundance en el año 2005 y que será estrenada en Estados Unidos el próximo mes de Octubre. En el verano de 2004, interpretó a Harry Vardon en "The Greatest Game Ever Played" dirigida por Bill Paxton para Disney, que se estrenará en otoño de 2005. En enero/febrero de 2005, protagonizó "Klimt", junto a John Malkovich y a las órdenes de Raoul Ruiz. Poco después comenzó el rodaje de "Goal!" (¡Goool!).