Dana Delany quitte son Connecticut natal pour la très prestigieuse Phillips Academy d'Andover avant d'intégrer l’Université wesleyenne. A 21 ans, elle s’installe à New York où elle devient serveuse en attendant de percer en tant qu’actrice. Entre deux cocktails, elle court les castings et fait ses premières armes dans les soaps Ryan's Hope , Love of Life et As the World Turns. Ses premiers pas au cinéma, elle les fait sur le plateau de Fanatique, aux côtés de Lauren Bacall. Au début des années 80, Dana Delany se produit essentiellement sur les planches. Sa participation dans la comédie musicale A Life lui vaut ses premières critiques positives de la presse. Après un rôle dans le très controversé Bloodmoon de Nicholas Kazan, elle quitte Broadway et s'envole vers Hollywood.

Et Hollywood est sous le charme ! La télévision l’accueille à bras ouverts avec The Streets de Gary Sherman et le sexy Deux garçons et une fille en 1984. Dana Delany apparaît dans Clair de lune, aux côtés de Bruce Willis et Cybill Shepherd, croise Tom Selleck pour plusieurs épisodes de Magnum. Puis, elle obtient le premier rôle de Sweet Surrender. Cette comédie, sur une femme qui abandonne sa carrière au profit de sa famille, est annulée après seulement 6 épisodes. S’intéressant à des rôles plus sérieux, voire historiques, elle est Moya Trevor, celle qui a inspiré le visage de la Statue de la Liberté à Bartholdi dans le téléfilm franco-américain Liberty. En 1988, la jeune femme décroche le rôle principal de China Beach, une série qui traite de la guerre du Vietnam. Pendant 4 ans, elle sera l'infirmière Colleen McMurphy. Un rôle qui lui vaudra deux Emmy Awards pour quatre nominations, et deux nominations aux Golden Globes. Cette même année, elle participe à trois films : Masquerade, dans lequel elle croise pour la première fois Doug Savant et Kim Catrall, Patty Hearst, qui a été présenté à Cannes en 1988, et enfin Pleine lune sur Parador.

En 1991, China Beach s’arrête à l’issue de sa 4ème saison. Auréolée de succès, Dana Delany s’oriente vers le cinéma avec Light Sleeper, où elle partage l'affiche avec Susan Sarandon et Willem Dafoe, et Fais comme chez toi dans lequel elle donne la réplique à Steve Martin. En 1993, elle pousse la chansonnette dans Tombstone et obtient son premier grand rôle sur grand écran dans Exit to Eden. Ne délaissant pas pour autant la télévision, elle fait équipe avec Charles Bronson dans Donato père et fille, et retrouve Kim Catrall dans le bref Wild Palms. Elle incarne Margaret Sanger, pionnière de la contraception, dans Choices of the Heart: The Margaret Sanger Story, et fait des apparitions remarquées dans des séries telles que Cheers, Jeux d'espions ou encore Associées pour la Loi.

Adepte du doublage, Dana Delany prête sa voix à Andrea Beaumon en 1993 pour Batman contre le fantôme masqué. Elle participe aux 13 épisodes du dessin animé Wing Commander Academy, aux côtés de Mark "Luke Skywalker" Hamill. Et de 1996 à 2007, elle est la voix officielle de Loïs Lane pour la Warner et DC Comics, en particulier pour Superman, l'Ange de Métropolis.

Amie avec Kim Cattrall, la comédienne se voit proposer en 1998 le rôle de Carrie Bradshaw pour Sex & the City. Rôle qu’elle refuse et qui reviendra à Sarah Jessica Parker. Dana Delany aurait-elle manqué sa chance ? Au générique de Pasadena, Hôpital San Francisco et Kidnapped, ces séries ne font pas long feu. Loin de se laisser abattre, Dana Delany multiplie les apparitions en guest-star dans Boston Justice, Kojak, New York Unité Spéciale, Battlestar Galactica, The L Word ou encore Related. Sur le grand écran, elle se concentre sur les projets indépendants et films à petit budget, en particulier Drunkboat, dans lequel elle tient le premier rôle.

2007 est, pour Dana Delany, l’année de la consécration. Si la comédienne s’est déjà construite une belle petite réputation auprès du public américain, elle parvient à repousser les frontières avec Desperate Housewives. Durant 4 ans, elle incarne Katherine Mayfair, une femme au foyer désespérée qui cache un lourd secret et tombe sous le charme de Mike Delfino. En 2010, elle quitte le show et fait une apparition dans Castle, la nouvelle série de Nathan Fillion, qui jouait durant un temps son époux dans Desperate Housewives. Elle y interprète l’agent du FBI Jordan Shaw durant deux épisodes. Cette reconnaissance lui permet de décrocher, à l'automne 2010, une série rien que pour elle, toujours sur ABC : la nouvelle dramedie policière Body Of Proof, dans laquelle elle incarne le médecin légiste Megan Hunt.