Мать Джейми умерла, когда ему было 16 лет, отец — акушер, часто читал лекции в Королевском университете Белфаста (Queen’s University Belfast).
Во время учёбы в Методистском колледже (Methodist College) Дорнан одинаково активно увлекался регби и драматической игрой. Именно в колледже он встретился с Дэвидом Александером (David Alexander), вместе с которым и была создана их музыкальная группа под названием Sons of Jim.
Учился Дорнан и в университете (University of Teesside), однако бросил его и переехал в Лондон, получив возможность работать в модельном агентстве «Select Model Management».
Джейми состоял в музыкальной группе «Sons of Jim», пока она не распалась в 2008 году.
Имя Джейми Дорнана известно в мире моды. Он был моделью таких известных марок как Calvin Klein (снимался с такими моделями как Кейт Мосс и Ева Мендес), Dior, Aquascutum, Armani, а также многих других.
Первой экранной работой Дорнана стала историческая драма Софии Коппола «Мария-Антуанетта» 2005 года с Кирстен Данст в главной роли. Продолжая работу в кино, Дорнан появился с весьма значительной ролью в британской драме «Тени на Солнце» («Shadows in the Sun») 2008 года.
В 2009-м он стал одним из трех актеров короткометражки «Nice to Meet You», а в 2011-м присоединился к съемочной группе первого сезона фантастичного приключенческого телесериала канала ABC «Однажды в сказке» («Once Upon a Time»), получив роль шерифа Грэма. Роль эта стала одной из наиболее значительных для молодого актера. Также Дорнан снялся в сериале «Крах», вместе с Джиллиан Андерсон (англ. Gillian Anderson), где исполнил роль серийного убийцы.
Кроме того, Джейми появился и в паре видео — короткометражном проекте «X Returns» и «Beyond the Rave».
Первой крупной ролью в кино для Джейми Дорнана является главная роль миллиардера Кристиана Грея в экранизации бестселлера «Пятьдесят оттенков серого» (англ. Fifty Shades of Grey). Здесь он снимется вместе с Дакотой Джонсон, игравшую роль Анастейши Стил, его возлюбленной. Мировая премьера назначена на 12 февраля 2015 года.
27 апреля 2013 года женился на своей подруге Амелии Уорнер. В июне они сообщили о том, что ждут пополнения в семействе. В конце ноября 2013 года у супругов родилась дочь.
