Il debutto in una serie TV, l'apparizione sul grande schermo a soli vent'anni e il grande successo.
Dylan O'Brien ha debuttato nel 2011 recitando nella serie televisiva Teen Wolf, prodotta per l’emittente MTV e basata sul film Voglia di Vincere del 1985 (diretto da Rod Daniel e con Michael J. Fox); qui veste i panni di Stiles Stilinski, tra i migliori amici del protagonista.
Nello stesso anno viene scritturato per il ruolo di protagonista in un cortometraggio intitolato Charlie Brown: Blockhead's Revenge, diretto da Robert Ben Garant. A seguire, approda sul grande schermo, all'età di appena vent'anni, nella pellicola indipendente High Road al fianco della meravigliosa Lizzy Caplan. In questa improvvisata commedia americana di Matt Walsh, un giovane è combattuto a causa di una scelta che riguarda la sua band, la sua fidanzata e della marijuana; nel tentativo di evitare l'arresto dopo un controllo della polizia, il ragazzo si darà alla fuga facendosi accompagnare dal vicino di casa adolescente.
La fama vera e propria, però, arriva solo nel 2014 con l’interpretazione di Thomas in Maze Runner - Il labirinto, diretto da Wes Ball. Un grande successo internazionale che ha permesso alla 20th Century Fox di guadagnare più di 340 milioni di dollari di incassi.