Dane DeHaan naît en Pennsylvanie, d'une mère chargée de clientèle et d'un père programmeur en informatique. Diplômé de l'University of North Carolina School of the Arts, il fait ses débuts en 2008 dans l'ombre d'un théâtre new-yorkais en tant que doublure d'Haley Joel Osment.

Deux ans plus tard, il crève l'écran dans la série En analyse, flamboyant dans le rôle de Jesse, un jeune homosexuel en colère contre le monde entier. Cependant, il faut attendre 2012 et le phénomène Chronicle pour le faire connaître du grand public. En Andrew, adolescent introverti à la rage meurtrière, il trouve la manière idéale de s'imposer en tant que jeune talent à suivre. Evolution confirmée par un second rôle dans Des Hommes sans loi (l'ami de Shia LaBeouf), violent western sur fond de prohibition signé John Hillcoat.

Les opportunités continuent de se multiplier : en 2013, il joue le rejeton de Ryan Gosling dans le poignant The Place Beyond the Pines et porte l'original Metallica Through the Never, puis rejoint Andrew Garfield pour les besoins de The Amazing Spider-Man 2, le second opus du reboot consacré à l'incontournable homme-araignée. Si le jeune acteur ne chôme pas, les films indépedants dans lesquels il s'illustre (Kill Your Darlings avec son ami Daniel Radcliffe, Life After Beth) ne connaissent pas de distribution en France.

Il faut attendre 2015 pour le revoir sur grand écran dans Life, biopic sur James Dean signé Anton Corbijn, aux côtés de Robert Pattinson. Après s'être essayé au doublage pour Ballerina, il tient le premier rôle de A Cure for Life, thriller horrifique réalisé par Gore Verbinski. L'acteur ne manque pas de surprendre en décrochant le premier rôle de Valérian et la Cité des Mille Planètes, nouvelle super-production de Luc Besson aux images époustouflantes, dont il partage l'affiche avec l'ancien mannequin Cara Delevingne.

Le natif de Allentown poursuit en jouant le fils de Gabriel Byrne souffrant d'une maladie grave dans la mini-série criminelle ZeroZeroZero, par les créateurs de Gomorra. Restant dans l'univers du petit écran, Dane DeHaan est attendu en 2021 dans Histoire de Lisey pour Apple TV+, une série adaptée d'un roman de Stephen King paru en 2006. Pour l'occasion, il retrouve son partenaire de Valérian, Clive Owen.