Étudiant à l'unité pédagogique n°6 Paris-La Villette (future École nationale supérieure d'architecture de Paris-La Villette), il en est diplômé en 1978. Il est employé alors par les agences de Martin van Treek, René Dottelonde et Antoine Grumbach puis fonde sa propre agence en 1981. Il se fait remarquer pour la réalisation du bâtiment de l'ESIEE Paris situé à Marne-la-Vallée en 1987 puis l'hôtel industriel Berlier qui remporte le Prix de l'Équerre d'argent en 1990. Mais c'est surtout en remportant le concours de la Bibliothèque François-Mitterrand de Paris en 1989 à l'âge de 36 ans qu'il acquiert une véritable renommée qui lui permet de commencer une véritable carrière internationale. Il conçoit ainsi le vélodrome et de la piscine olympique à Berlin en 1992 puis plus récemment l'université féminine Ewha à Séoul en Corée, inaugurée en avril 2008, l'extension de la cour de justice des communautés européennes à Luxembourg et le centre olympique de tennis à Madrid achevés en 2008 et 2009.
Mais Dominique Perrault réalise aussi des projets non monumentaux, à des échelles variées, par des programmes différents, dans des sites divers. Ainsi, à Kolonihaven au Danemark, en posant une clôture de verre autour d'un arbre ; à Zirl et à Wattens en Autriche, il construit deux petits supermarchés pour Mpreis ; et en juillet 2008, le pavillon du Priory Park a été inauguré à Reigate dans la banlieue de Londres.
Du 11 juin au 22 septembre 2008, le Centre Pompidou de Paris retrace une partie de la carrière de l'architecte dans le cadre d'une exposition monographique à la Galerie Sud. On peut y voir les maquettes des principaux projets achevés, en cours ou simplement de concours illustrés entre autres par des films de Richard Copans. Il a par ailleurs été désigné commissaire du pavillon français de la section architecture de la Biennale de Venise du 29 août au 21 novembre 2010.
