Dillon creció en Mamaroneck, Nueva York y fue a la Hommocks School de Larchmont, Nueva York. Dillon salió con la actriz Cameron Diazentre 1996 y 1998. En 1979, el director de cásting Vic Ramos se fijó en Dillon cuando era tan solo un extra y lo incluyó en su película Over the Edge. El film tuvo poco eco, proyectado en un limitado número de salas en mayo de 1979. A pesar de eso, la actuación de Dillon fue bien recibida, cosa que se le propuso a Dillon formar parte del 'càsting' de dos películas del siguiente año, los filmes adolescentes (Little Darlings y My Bodyguard). Estos dos largos estrenadas en marzo y julio de 1980 respectivamente, fueron dos éxitos y lanzaron a Dillon entre les audiencias adolescentes americanas. La siguiente interpretación de Dillon fue en Tex (1982), seguida dos meses más tarde por Liar's Moon, donde encarnaba a Jack Duncan, un chico pobre de Texas enamorado perdidamente de la hija de un banquero rico. A mediados de los 80, Dillon conseguía papeles en tres de las cuatro adaptaciones de Francis Ford Coppolade trabajos de S.E Hinton: Tex (1982), Rebeldes (1983) y La ley de la calle (1983). Las tres películas fueron filmadas a Tulsa, Oklahoma, la ciudad natal de Hinton. De esta manera, Dillon fue uno de los integrantes de la nueva generación de actores que Coppola promocionó en estas películas y en la que se hallaban, entre otros, Tom Cruise Nicolas Cage Ralph Macchio, Emilio Estévez y Patrick Swayze El 1987, Dillon apareció brevemente como policía en el 'videoclip' Fairytale of New York de The Pogues y Kirsty MacColl, que fue un gran éxito en Irlanda y el Reino Unido. De todas maneras, su carrera parecía entrar en picado hasta que en 1989, Gus Van Sant le prefirió a él en vez de Jack Nicholsono Dennis Hopper para su papel de drogadicto en la película Drugstore Cowboy. Dillon continuó trabajando a principios de la década de los 90 en papeles como Solteros (1992). Su carrera volvió a resurgir cuando encarnó al marido de Nicole Kidmanen Todo por un sueño (1995), así como en papeles más largos como Wild Things (1998) y Algo pasa con Mary (1998), papel por le cual recibió un premio de la MTV como el mejor villano. En el año 2002 dirigió, escribió e interpretó City of Ghost, protagonizada por él mismo, James Caan y Gérard Depardieu. En 2005, apareció en Crash (coescrita y dirigida por Paul Haggis). En este largo, Dillon recibió muchos reconocmientos de público y crítica, incluyendo la nominación al mejor actor secundario de los Globo de Oro y los Oscars. En ella participó junto a actores tan conocidos como Don Cheadleo Sandra Bullock El 29 de septiembre de 2006 recibe el Premio Donostia en el Festival Internacional de Cine de Donostia-San Sebastián como reconocimiento a su carrera.