Originario della Pennsylvania, Dastmalchian cresce a Overland Park, in Kansas.[1] Appassionatosi alla recitazione alle scuole superiori, frequenta la scuola di teatro della DePaul University di Chicago, dove ottiene un Bachelor of Fine Arts.[2] Dopo avere terminato gli studi nel 1999, finisce per cadere dipendente dall'eroina per circa cinque anni, durante i quali vive da disoccupato nella propria automobile tra Chicago e Kansas City.[1][3] Una volta disintossicatosi, si mantiene grazie a diversi lavori, tra cui vicedirettore di un Long John Silver's, televenditore e maschera in un cinema, sempre con l'intenzione di intraprendere la professione attoriale.[3]
Nel frattempo recita part-time in degli spot pubblicitari per la Cingular Wireless e in alcune produzioni teatrali della scena di Chicago e dintorni.[3][4] Mentre sta portando sul palco Otello, ottiene il suo primo ruolo in un lungometraggio cinematografico, interpretando Thomas Schiff, uno degli scagnozzi del Joker, nel film Il cavaliere oscuro (2008), diretto da Christopher Nolan.[3] Trasferitosi a Los Angeles, la sua carriera latita per alcuni anni finché non ottiene la parte di un pedofilo nel thriller di Denis VilleneuvePrisoners (2013),[5][6] per il quale riceve critiche positive dal Time e The Guardian.[7][8]
Nel 2014 vince il premio della giuria al festival South by Southwest per la sceneggiatura del film indipendente Animals, di cui è anche protagonista e produttore, ispirato al proprio periodo di tossicodipendenza.[1][9] L'anno seguente recita in un ruolo secondario nel film di supereroi Ant-Man (2015), per il quale era stato scelto grazie al suo ruolo in Prisoners dal regista Edgar Wright prima che questo abbandonasse la produzione.[1][3] Dastmalchian riprende il suo ruolo nel sequel del 2018 Ant-Man and the Wasp, oltre che ricoprire ruoli ricorrenti da antagonista nelle serie televisive MacGyver e Twin Peaks - Il ritorno, per poi collaborare nuovamente con Villeneuve nei fantascientifici Blade Runner 2049, dove ha una piccola parte, e Dune, in cui interpreta l'antagonista Piter de Vries.[6] Nel 2018 si ricongiunge con il regista di Animals per scrivere e recitare in All Creatures Here Below, al fianco di Karen Gillan.[6]
Nel 2019 la Dark Horse Comics pubblica un fumetto da lui scritto e disegnato da Lukas Ketner, Count Crowley: Reluctant Midnight Monster Hunter, miniserie ripubblicata l'anno seguente in volume.[10]