Dominik Moll est né le 7 mai 1962 à Bühl en Allemagne de l’ouest, d’un père allemand et d’une mère française. Il passe son enfance à Baden-Baden. Il entame une formation de menuisier avant de se raviser pour tenter sa chance aux Etats-Unis. Il s’inscrit ainsi à la City University de New York pour effecteur des études de cinéma.
Après un premier court-métrage, intitulé The Blanket, il intègre l’école de cinéma la Femis pour compléter sa formation. Lors de ses études, il rencontre Laurent Cantet dont il devient l’assistant-réalisateur (Les sanguinaires, Ressources humaines). En 1993, il se lance dans la réalisation de son premier film, Intimité. Mais l’accueil du public est mitigé.
En 1999, il entame le tournage de son deuxième long-métrage, Harry, un ami qui vous veut du bien , dans le cantal avec Sergi Lopez et Mathilde Seigner notamment. Le film est présenté lors du festival de Cannes en mai 2000 et rafle de nombreuses récompenses dont le César du meilleur réalisateur en 2001. Cinq ans plus tard, il est de retour au festival de Cannes pour présenter Lemming, son troisième long-métrage.
Il s’essaie également à la réalisation pour le petit écran avec les séries Tunnel (2013) et Eden (2019).
En 2019, il adapte au cinéma le roman de Colin Niel, Seules les bêtes, qui reçoit le prix du public au festival international du film de Tokyo.
En mai 2022, son nouveau film, La nuit du 12, est présenté dans la sélection Cannes Première au festival de Cannes. Il revient au festival de Cannes en mai 2025 avec son film Dossier 137 , en compétition officielle.
Côté vie privée, il a deux filles.
