Paul Dano má za sebou kariéru sice poměrně krátkou, ale přesto pozoruhodnou. Objevil se v hitu Malá Miss Sunshine (2006), nominovaném na Oscara, kde si zahrál po boku Alana Arkina, Abigail Breslin, Stevea Carella, Toni Collette a Grega Kinneara. Svým výkonem v tomto filmu si vysloužil ocenění Broadcast Film Critics Association Award jako nejlepší začínající herec a nominaci na Independent Spirit Award za nejlepší výkon ve vedlejší roli.

Jeho další filmové role poukazují na šířku jeho záběru. Za svůj celovečerní debut v dramatu o dospívání L.I.E. získal Independent Spirit Award za nejlepší debut. Posléze mu tato role nevinného dospívajícího osamoceného teenagera mu přinesla i cenu za nejlepší herecký výkon na filmovém festivalu ve Stockholmu a podělit se o cenu Grand Jury Award v Los Angeles.

Ve snímku D.J. Carusa Zloděj životů si zahrál tajemného a nebezpečného tuláka. Následně ztvárnil po boku Gaela Garcii Bernarda ve filmu The King v roce 2005 roli silně věřícího pastorova syna, který se stane obětí zbytečné vraždy. Ve filmu Rebeccy Miller Ostrov samoty hrál sexuálního devianta, který svou pozornost zaměří na dospívající dceru Daniela Day-Lewise. Ve filmu Richarda Linklatera Fast Food Nation si zahrál neloajálního mladíka, který otročí v prodejně s občerstvením. Mezi jeho další role patří Klub vyvolených s Kevinem Klinem a Sexbomba od vedle s Emile Hirsch.
Kromě filmu Až na krev, ve kterém znovu hraje s Danielem Day-Lewisem, ho budeme v dohledné době moci vidět ve snímcích Weapons Adama Bhala Lougha a Where the Wild Things Are Spikea Jonzeho.