Dileep Rao est né à Los Angeles. Il a passé une partie de sa jeunesse en Arabie Saoudite, ainsi qu'à Denver et Claremont, où il fera une grande partie de ses * études. Il en sortira avec un diplôme de l'American Conservatory Theater de San Francisco.
Il déménage alors pour San Francisco, et commence une carrière théâtrale.
En 2002, il participe au jeu télévisé Jeopardy! et y gagne 34,400$.
Sa carrière cinématographique commence en 2009 avec jusqu'en enfer de Sam Raimi puis, la même année Avatar de James Cameron. L'année suivante, il est de nouveau à l'affiche d'un blockbuster: Inception de Christopher Nolan. Un début sur les chapeaux de roues!