Frank Dillane se formó en la Royal Academy of Dramatic Art (R.A.D.A.) y se graduó en el 2013. De niño interpretó a Christopher Henderson en Welcome to Sarajevo (Channel 4 / Miramax / Dragon Pictures) dirigida por Michael Winterbottom. A los 16 años, Dillane interpretó a Tom Riddle en Harry Potter and The Half Blood Prince y repitió el papel en Harry Potter and The Deathly Hallows – Parte 1 y 2 (Warner Bros), ambas dirigidas por David Yates.

Durante su primer año en R.A.D.A., Dillane filmó el papel de James Papadopoulos en Papadopoulos & Sons (Double M Films), dirigida por Marcus Markou. Inmediatamente después de graduarse, interpretó a Eugene Marchbanks en Candida (Teatro Royal Bath), dirigida por Simon Godwin. Poco después, filmó el papel de Henry Coffin en In The Heart Of The Sea (Articulated Productions Ltd) dirigida por Ron Howard. Luego vino el papel de Keyes en Viena And The Fantomes (Lola Pictures) dirigida por Gerardo Naranjo.

Después, Dillane se convertiría en un personaje recurrente como Shugs en la primera temporada de Sense8 (Netflix) dirigida por Lana y Lilly Wachowski. Luego filmó el piloto de Fear the Walking Dead de AMC, interpretando el papel principal de Nick Clark. El programa ha sido un gran éxito y protagonizó consecutivamente cuatro temporadas. Durante la pausa entre las temporadas uno y dos, filmó el papel principal de Alex Harmann en Astral, dirigida por Chris Mul, que se estrenó en Estados Unidos a finales de 2018.

Dillane coprotagoniza como Tony Rich en How To Build A Girl, dirigida por Coky Giedroyc, la cual se lanzó en el 2019 y ahora está disponible en Amazon Prime.