Dana est née à New York. Son grand-père a inventé le robinet Delany. Après avoir grandi dans le Connecticut, elle part étudier à la Phillips Academy, à Andover, puis à la Wesleyan University.
Après plusieurs apparitions dans quelques films (Patty Hearst, Masquerade) et séries télévisées (Magnum), elle connaît son premier succès en interprétant l'un des rôles principaux de la série China Beach, série sur la guerre du Viêt Nam qui a duré quatre saisons et lui rapporte deux Emmy Award de la meilleure actrice en 1989 et en 1992.
Depuis, l'actrice a alterné cinéma (Fais comme chez toi, avec comme partenaires Steve Martin et Goldie Hawn, le western Tombstone avec Kurt Russell, Exit to Eden de Garry Marshall, avec Dan Aykroyd et Rosie O'Donnell, L'Envolée sauvage, Éveil à la vie de M. Night Shyamalan et récemment Drunkboat avec John Goodman) et télévision avec soit des téléfilms ou séries télévisées.
Mais c'est à la télévision que le talent de Dana Delany est mis en valeur en incarnant le rôle principal de certains téléfilms comme For Hope, Final Jeopardy, où elle est productrice exécutive et Baby for Sale et de séries télévisées comme Pasadena, Hôpital San Francisco et Kidnapped. Mais certaines des séries dans lesquelles elle a un rôle primordial n'ont pas connu un succès d'audience.
Depuis, elle a fait quelques apparitions dans Boston Justice, Kojak, The L Word et Battlestar Galactica et a prêté sa voix à des dessins animés comme Superman et La Ligue des justiciers au personnage de Lois Lane. De 2007 à 2010, elle interprète Katherine Mayfair, un personnage récurrent dans la série Desperate Housewives, alors qu'elle était pressentie pour incarner Bree Van de Kamp (finalement incarnée par Marcia Cross). Katherine est une femme trahie par les hommes qui finira par quitter brusquement Wisteria Lane aux côtés d'une ancienne strip teaseuse lesbienne, Robin Gallagher. Cependant, Dana réapparaît furtivement dans le tout dernier épisode de la série, en 2012.
Après avoir joué dans des pièces de théâtre, elle interprète jusqu'en 2013 le docteur Megan Hunt dans la série Body of Proof.
Dana Delany a été en couple pendant 4 ans avec l'acteur Henry Czerny
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