Oriunda de la ciudad polaca de Kielce, Dagmara Dominczyk se crio en su Polonia natal, hasta que a la edad de siete años, cruzó el charco con su familia en dirección a Nueva York, donde obtuvieron asilo político a raíz de la actividad político-sindical de su padre. Desde muy niña optó por dar rienda suelta a su vocación actoral, y se formó como intérprete en la Carnegie Mellon University, donde se graduó en artes escénicas a finales de los noventa. Hizo carrera en el mundo del teatro, triunfando en Brodway gracias a aclamadas representaciones de Closer o Un abril encantado, y debutando en el cine en el año 2000 con Más que amigos, a la que seguirían Rock Star, Kinsey o Corazones solitarios, entre otras. En 2004 contrae matrimonio con el también actor Patrick Wilson, antiguo compañero de clase y mientras, poco a poco, se hace un hueco en la industria del cine gracias a papeles con enjundia en cintas como En tierras altas, El sueño de Ellis o Jack Strong.