C’est après avoir joué dans la pièce de théâtre de son lycée qu’Eric Dane découvre sa vocation. A 21 ans, il s’installe à Los Angeles et décroche plusieurs rôles dans les séries Sauvés par le gong, Le Rebelle, Mariés, deux enfants et Les Dessous de Palm Beach. Il endosse ensuite pour la première fois la blouse blanche dans quatre épisodes de Gideon's Crossing, série médicale annulée à l’issue de la première saison. L’acteur obtient un rôle récurrent dans Charmed en 2003, où il incarne Jason Dean le patron de Phoebe Halliwell, jouée par Alyssa Milano. Il dévoile alors son potentiel de séducteur en faisant craquer la jolie sorcière dans les saisons 5 et 6. Après son départ du show, Eric Dane doit se contenter de courtes apparitions à la télévision. Le public peut l'apercevoir dans Las Vegas ou le téléfilm Helter Skelter dans lequel il joue un disciple du tueur Charles Manson.

2006 est l’année de tous les succès pour Eric Dane qui décroche le rôle de l'homme multiple dans X-Men l'affrontement final. Mais c’est le petit écran qui va lui apporter la consécration, puisqu’il est choisi pour jouer Mark Sloan, l’ex-meilleur ami de Patrick Dempsey dans Grey's Anatomy. Son personnage de chirurgien plastique charmeur et arrogant séduit immédiatement le public qui lui attribue le surnom de Docteur Glamour. Le succès est tel qu'il est promu au rang de régulier dès la troisième saison.

Tout en continuant de jouer dans Grey's Anatomy, Eric Dane commence à se faire une place sur grand écran. Il est le héros de Dérive mortelle et donne la réplique à Jennifer Aniston et Owen Wilson dans Marley & moi en 2008. On le retrouve en 2010 au casting de Valentine's Day, le film choral de Gary Marshall où il partage l’affiche avec Bradley Cooper et Jessica Biel. La même année, il joue aux côtés de Cher et Christina Aguilera dans le drame musical Burlesque.

Après 6 ans de bons et loyaux services dans le rôle du docteur Mark Sloan, l'acteur fait ses adieux à Grey's Anatomy en 2012, et laisse donc derrière lui le programme qui l'a rendu célèbre. Eric obtient en 2014 le rôle principal de The Last Ship, nouvelle série produite par Michael Bay dans laquelle il incarne Tom Chandler, le commandant du navire regroupant 200 des derniers survivants de la planète après une épidémie. En parallèle, la production de la mini-série canadienne The Fixer l'engage dans le rôle de l'informateur Carter. On le voit aussi dans Euphoria, via le personnage de Cal Jacobs, le père de Nate, un homme d'affaires à succès mais qui détient un sombre secret. Si le comédien est avant tout présent côté séries, il fait office de second rôle au cinéma dans American Carnage, Sauvée par Amour, Dangerous Waters et Little Dixie. Il est même choisi pour incarner le méchant de Bad Boys Ride or Die, quatrième opus des aventures musclées des flics de choc Will Smith et Martin Lawrence.