Paul Franklin Dano nasce nel giugno del 1984 a New York. Da bambino si trasferisce con la famiglia nel Connecticut, dove inizia a recitare in recite scolastiche, prima di tornare nella Grande Mela con la sua nuova passione e qualche anno in più. A dieci anni, da vero bambino prodigio, appare sul palcoscenico con mostri sacri come George C. Scott e Charles Durning nel dramma Inherit the Wind.
Nei primi anni Duemila ha un personaggio ricorrente nella quarta stagione de I Soprano, ma il primo ruolo da protagonista è stato nel controverso L. I. E. (2001), dov'è un quindicenne coinvolto in una relazione con l'attempato Brian Cox. Nel 2004 interpreta il personaggio di Ethan Hawke da giovane in Identità violate.
La svolta arriva nel 2006, quando è nel cast del pluripremiato amaro indipendente Little Miss Sunshine, nel ruolo del fratello della piccola Abigail Breslin, deciso a non spiccicare parola. Nel 2007 si confronta senza troppa paura con un gigante come Daniel Day-Lewis nel Petroliere di Paul Thomas Anderson: è una performance da nomination ai BAFTA.
Nonostante il successo e l'attività teatrale, il cinema non riserva a Dano di frequente ruoli da protagonista. E' infatti in parti minori in Innocenti bugie (2010), Cowboys & Aliens (2011), Being Flynn (con Robert De Niro), Looper con Bruce Willis. Nel 2012 è coprotagonista di Ruby Sparks, scritto e interpretato dalla sua compagna Zoe Kazan.
Nel 2013 per lui c'è una doppietta di film di successo e apprezzati dalla critica: il crudo Prisoners di Denis Villeneuve e 12 anni schiavo di Steve McQueen. In entrambi la sua capacità di rappresentare personaggi crudeli e ambigui raggiunge l'apice.
Nel 2015, oltre a partecipare a Youth - La giovinezza di Paolo Sorrentino, è il giovane Brian Wilson dei Beach Boys nel biografico Love and Mercy: incredibilmente, solo ora riceve l'onore di una nomination ai Golden Globe come migliore non protagonista.