Estudió en el Instituto de Tecnología de California y empezó a trabajar como chico de los recados en la Paramount, pero su carrera en Hollywood no comenzó hasta la década de 1930, cuando trabajó como montador de varias cintas, entre las que figuran títulos como "Tú y yo" (1939), de Leo McCarey, o "Zaza" (1939), de George Cukor, que le sirvieron como trampolín hacia la dirección.

Antes de que se extendiera el "macartismo", el movimiento anticomunista que existió en el país en esa época y que hizo que los miembros de la industria fueran cuestionados sobre su ideología, ya había logrado hacerse un nombre como uno de los mejores directores jóvenes.

De ese periodo datan obras como la antifascista "Los hijos de Hitler" (1943), "Historia de un detective" (1944), basada en una novela de Raymond Chandler, o "Encrucijada de odios" (1948), una de las primeras cintas de la industria que abordó el antisemitismo y por la que logró su única candidatura al Óscar al mejor director.

Fue su mejor época. Ese mismo año se casó con Jean Porter, una actriz a la que conoció en "Hasta el fin del tiempo" (1946), con quien pasó el resto de su vida y con la que tuvo tres hijos. Era su segundo matrimonio, tras divorciarse de Madeleine Robinson, con quien estuvo unido quince años.

Poco después tuvo que comparecer ante el Comité de Actividades Antiamericanas, donde eludió facilitar nombres de compañeros simpatizantes del Partido Comunista, por lo que fue enviado a la cárcel de Mill Point Prison, en Virginia Occidental.

Su negativa a convertirse en un delator le convirtió en uno de los miembros del llamado "grupo de los diez de Hollywood", condenado a un año en prisión además de quedarse sin trabajo al verse en la lista de proscritos de esta industria.

Continuó su trabajo en Inglaterra, pero acuciado por problemas económicos, regresó a EE.UU., confesó haber pertenecido al Partido Comunista durante la II Guerra Mundial y ofreció una serie de nombres que, según declaró posteriormente, sabía que ya estaban en poder del comité.

"Todas las personas que nombré habían sido ya mencionadas al menos media docena de veces y se encontraban ya en la lista negra", declaró en 1973 en una entrevista.

Aunque Dmytryk, candidato en 1955 a la Palma de Oro del Festival de Cannes por "Vivir un gran amor", siempre pensó que había hecho lo adecuado, muchos de sus compañeros en la industria no perdonaron el gesto y lo acusaron de delator, una acción que ensombreció su trayectoria profesional.

En 1965 recibió el premio ex aequo a la mejor película del Festival de Cine de Donostia por "Espejismo", que compartió con "Zlatá reneta", de Otakar Vávra, pero su carrera comenzó a entrar en declive y únicamente rodó siete películas más, la última de ellas, "He is my Brother" (1976).

Para entonces, Dmytryk ya había encaminado sus pasos hacia la enseñanza. Enseñó cinco años Teoría y Producción de Cine en la Universidad de Texas de Austin y en 1981 se trasladó a la Universidad del Sur de California, en donde se mantuvo hasta dos años antes de su muerte.