Né de père allemand et de mère française, Dominik Moll grandit à Baden-Baden. Adolescent, il rêve de tourner des documentaires animaliers. Parti à New York étudier le cinéma à la City University, il tourne en 1983 son premier court métrage, The Blanket, d'après une nouvelle de Bukowski. Il réalisera plusieurs autres courts dans le cadre de l'IDHEC où il se lie d'amitié avec d'autres futurs cinéastes, notamment Laurent Cantet (Moll sera assistant réalisateur sur Ressources humaines) et Gilles Marchand, qui deviendra son scénariste.Dominik Moll réalise en 1993 son premier long métrage, Intimité, inspiré d'une nouvelle de Jean-Paul Sartre, mais ce coup d'essai, dans lequel apparaît déjà le goût du cinéaste pour la manipulation, passe inaperçu dans les salles. Moll devra attendre six ans pour tourner son deuxième film, Harry, un ami qui vous veut du bien. Ce thriller brillant et dérangeant, présenté en Sélection officielle à Cannes, obtient un succès public qui dépasse les frontières, ainsi que 4 César, dont ceux de Meilleur réalisateur et de Meilleur acteur pour Sergi Lopez, parfait dans un rôle, à contre-emploi, de psychopathe plein de bonnes intentions. Son partenaire, Laurent Lucas, fera partie du quatuor formé par Dominik Moll pour son film suivant, le tout aussi inquiétant Lemming. Ce troisième opus, qui réunit aussi Charlotte Gainsbourg, André Dussollier et Charlotte Rampling, est présenté en ouverture du Festival de Cannes 2005.
Moll réalise son film suivant cinq ans plus tard. Cette fois, le cinéaste entreprend l'adaptation d'un roman gothique du XVIIIème siècle, écrit par Matthew Lewis. Son Moine est porté par Vincent Cassel, Déborah François, Géraldine Chaplin et le fidèle Sergi Lopez. Il réalise en suite deux épisodes de la série policière Tunnel, adaptée de la série suédo-danoise Bron de Hans Rosenfeldt. Puis, il revient au cinéma avec Des nouvelles de la planète Mars, une comédie déjantée avec François Damiens et Vincent Macaigne. Variant les projets, il signe 6 épisodes de Eden, qui aborde le sujet délicat des réfugiés.
En 2019, Dominik Moll revient à son genre de prédilection, le thriller, et met en scène le brillant Seules les bêtes, qui s'ouvre sur la disparition d'une femme dans les montagnes enneigées du Massif central. Denis Ménochet, Laure Calamy, Damien Bonnard, Nadia Tereszkiewicz et Valeria Bruni-Tedeschi composent le casting principal du long métrage. Il reste dans un registre similaire avec La Nuit du 12, dans lequel les policiers Bastien Bouillon et Bouli Lanners tentent de résoudre une affaire de meurtre particulièrement difficile. Le film est présenté dans la sélection Cannes Première au Festival de Cannes 2022.
