Jamie se narodil 1. května 1982 v severoirském hrabství County Down, na předměstí Belfastu v Severním Irsku, jako nejmladší ze tří dětí. Jeho otec, James C. Dornan, je gynekolog a porodník. Jamieho matka Lorna zemřela na rakovinu slinivky, když mu bylo 16 let. Má dvě starší sestry - Liesu a Jessicu. Navštěvoval Methodist College v Belfastu, kde hrál ragby a byl členem dramatického oddělení. Poté navštěvoval Teesside University, ale školu opustil a odstěhoval se do Londýna, kde se věnoval modelingu a následně začal pracovat na své herecké kariéře.
Jako model pracoval pro značky Calvin Klein, Dior, Asquascutum a Armani. Deníkem The New York Times byl nazván ,,Zlaté Torzo".
Jeho herecká kariéra započala v roce 2006, kdy se objevil jako Axel von Fersen ve filmu Marie Antoinetta od Sofii Coppoli. O dva roky později si zahrál roli Eda v hororu Beyond the Rave. Následující rok se objevil v dramatickém filmu Shadows in the Sun.
V roce 2011 hrál v osmi epizodách v seriálu stanice ABC Once Upon a Time roli Šerifa Grahama. Jeho postava byla zabita v epizodě "The Heart Is a Lonely Hunter" a poté se vrátil ve flashbacku v epizodě "A Land Without Magic".
Zlom v Jamieho herecké kariéře přišel v roce 2013, kdy získal roli v irském dramatickém seriálu The Fall, ve kterém hrál Paula Spectora, sériového vraha vraždící v Belfastu. V tomto seriálu si zahrál spolu s Gillian Andersonovou, která hrála vrchní vyšetřovatelku Stellu Gibson. I když měl seriál pouze 5 epizod způsobil naprostou senzaci. Díky velké sledovanosti a velké chvále ze strany kritiků, byla ještě témže roce natočena druhá série o šesti epizodách, která se začala vysílat v listopadu 2014. Třetí a poslední série uzavírající celý seriál byla odvysílána v září 2016. Před začátkem natáčení této série si stihl v roce 2014 zahrát Colina ve filmu Flying Home.
Po odchodu Charlieho Hunnama byl 23. října 2013 obsazen jako Christian Grey v nadcházejícím erotické thrilleru Padesát odstínů šedi, jenž je adaptací stejnojmenného bestselleru od E.L James. Premiéra filmu byl původně naplánována na 1. srpna 2014, ale následně bylo datum přesunuto přibližně na Den svatého Valentýna - 13. února 2015. Kritiky byl film zcela zamítnut, ovšem diváky velmi vřele přijat. V listopadu 2014 byl časopisem People vyhlášen třetím nejvíce sexy žijícím mužem.
V srpnu 2014 bylo oznámeno, že si zahraje Doktora Allana Pascala v nadcházejícím filmu Devátý život Louise Draxe, natočený podle stejnojmenné knihy od Liz Jensen. Zde si zahrál spolu s Aaronem Paulem a Sarah Gadon. Film měl premiéru v 2. září 2016.
V únoru 2015 Jamie potvrdil, že si zopakuje roli Christiana Greye v sequelech série Fifty Shades - Padesát odstínů temnoty (2017) a Padesát odstínů svobody (2018).
V britsko-českém koprodukčním snímku Anthropoid z roku 2016 zachycujícím atentát na říšského protektora Heydricha ztvárnil Jana Kubiše. Tento film se celý natáčel v Praze a spolu s ním se zde jako Josef Gabčík objevil irský herec Cillian Murphy a řada předních českých herců. Tentýž rok ztvárnil roli Pata Quinlana v historickém dramatu The Siege of Jadotville, jenž zachycuje osudy irských vojáků v Africe.