Во время учебы в Методистском колледже Дорнан одинаково активно увлекался регби и драматической игрой.
Именно в колледже он встретился и с Дэвидом Александером, вместе с которым и была создана их музыкальная группа под названием «Sons of Jim». Кстати, позже Дорнан сказал в одном из интервью, что если бы у него была еще одна возможность музыкального начинания, он бы сделал все совершенно по-другому. А тогда Джеми и Дэвид были молоды, наивны и недостаточно подготовлены.
Учился Дорнан и в университете, однако бросил его и переехал в Лондон, получив возможность работать в модельном агентстве «Select Model Management».
Его первые фотосессии для журнала «GQ» оказались очень успешными, и вскоре имя Джеми Дорнана стало известным в мире моды. В 2003-м Джеми повстречался с Кирой Найтли и это открыло ему дорогу и в мир кино. Так, именно Кира, с которой Джеми встречался около двух лет, представила его своему агенту. Позже имя Дорнана связывали с именами Сиенны Миллер, Линдсей Лохан и Кейт Мосс. Вообще, пресса весьма охотно отслеживала «звездные» романы Дорнана, впрочем, молодому актеру и модели это шло только на пользу. В 2004 году он стал одним из лиц брэнда «Calvin Klein». Джеми также позировал для рекламы еще нескольких модных компаний, а в 2006 году, во время его работы вместе с Кейт Мосс, разразился весьма громкий скандал из-за девушки топлесс на фотографиях.
Первой экранной работой Дорнана стала историческая драма Софии Коппола «Мария-Антуанетта» 2005 года, с Кирстен Данс в главной роли.
Продолжая работу в кино, Дорнан появился с весьма значительной ролью в британской драме «Тени на Солнце» 2008 года, которую снимал Дэвид Роксэведж.
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», получив роль шерифа Грэма. Роль эта стала одной из наиболее значительных для молодого актера.
Кроме того, Джеми появился и в паре видео – короткометражном проекте «X Returns» и «Beyond the Rave».
В 2007 году Джеми позировал для кампании «Nicole Farhi and Massimo Dutti».
Позже он работал для «Hugo Boss», «Aquascutum» и «Gap» для коллекций Весна/Лето 2008, а также позировал для коллекций осенне-зимнего сезона брэндов «Aquascutum» и «Armani Jeans».
Для показа коллекции Осень/Зима от «Calvin Klein» Дорнан позировал вместе с Евой Мендес, оба были без рубашек.
В 2010 году он снова работал в паре с Евой Мендес для «Calvin Klein», а также позировал для «Vogue Paris» вместе с Наташей Поли.