Originario del Missouri, è cresciuto a Danville, in Illinois. Da bambino passava molto tempo a imparare musica, magia e mimo da solo. E' stato baritono, è apparso nelle recite scolastiche, ha fatto atletica leggera, è stato rappresentante di classe junior e ha lavorato part time in una emittente radio locale.
A 18 anni Van Dyke ha fatto il militare con la Air Force ed è stato velocemente reclutato per un programma televisivo intitolato Flight Time. Dopo il servizio militare di un anno negli Sati Uniti, è tornato a Danville e ha lavorato per un po' nella pubblicità, poi, nel 1946, si è unito ad un altro comico locale, Phil Erickson, in una pantomima di successo dal titolo The Merry Mutes. Nel corso di una lunga serie di apparizioni a Los Angeles, Van Dyke ha mandato a chiamare la sua fidanzata di Danville, Marjorie Willet, e i due si sono sposati nel programma radiofonico Bride and Groom.
Nel 1955, Van Dyke si è spostato dalla radio alla televisione, come presentatore del CBS Morning Show, in cui Walter Cronkite presentava il notiziario, Barbara Walters scriveva i testi e Merv Griffin si occupava della musica. Nel 1958, dopo aver tentato altri format tra cui un programma per bambini, un talk show, un gioco e un pilot, Van Dyke ha lasciato la CBS per approdare ad un programma dal titolo The Boys Against the Girls. Da qui, ha lavorato accanto a Chita Rivera in Ciao ciao Birdie, nel quale Van Dyke ha presentato "Put on a Happy Face" vincendo un Tony nel 1960.
Mentre lavorarva a Ciao ciao Birdie, Sheldon Leonard e Carl Reiner gli hanno proposto di leggere dei copioni di una serie ancora senza titolo. Questo ha portato al Dick Van Dyke Show, cominciato nel 1961 e ancora in vendita in tutto il mondo. In cinque stagioni, Van Dyke ha vinto tre Emmy.
Nelle periodiche pause, Van Dyke ha interpretato molti lungometraggi, tra cui la versione cinematografica di Ciao ciao Birdie (1963) e il classico della Disney Mary Poppins (1964). Altri titoli comprendono Il comandante Robinson Crusoe, U.S.N. (1966), Divorzio all'americana (1967), Chitty Chitty Bang Bang (1968), The Comic (1969), Some Kind of a Nut (1969), Cold Turkey (1971) e Uno strano caso di omicidio (1979). Il Dick Van Dyke Show ha smesso di andare in onda al culmine del successo dopo cinque stagioni.
Il successivo progetto di Dick è stato un film drammatico per la TV, The Morning After, un adattamento del romanzo di Jack Weiner su un padre di famiglia talentato e di successo la cui vita viene distrutta dall'alcolismo. Con la sua tematica inesorabile e la sua triste conclusione, il film ha avuto un grandissimo successo in televisione ed è valso a Van Dyke una nomination agli Emmy.
Poi Van Dyke è ritornato alla canzone, alla danza e alla commedia, interpretando 13 speciali di varietà dal titolo Van Dyke and Company. Nel 1979, è ritornato al teatro nei panni del Professor Harold Hill in The Music Man, andato in tournee prima di arrivare a Broadway. L'anno successivo, è andato in giro con lo spettacolo Damn Yankees.
Van Dyke ha vinto il suo quinto Emmy per lo special della CBS del 1982 Wrong Way Kid. Gli altri film per la televisione includono: Drop-Out Father; Found Money, con Sid Caesar; lo special della PBS Breakfast with Les and Bess, con Cloris Leachman; la miniserie Strong Medicine; e una produzione della Showtime di The Country Girl, con Faye Dunaway.
Van Dyke ha ricevuto molti premi, tra cui il Dance Legend of the Year dalla Professional Dancers Society of America, il Disney Legend Award nel 1998, un riconoscimento alla carriera della American Comedy Awards e una stella sulla Walk of Fame di Hollywood (1993). Il Dick Van Dyke Show è stato introdotto nella Hall of Fame della Producers Guild, e nel 1995, Van Dyke è entrato nella Hall of Fame della Television Academy.
Mark Sloan, il medico che aiuta anche a risolvere crimini, è stato presentato in un episodio di Jake and the Fat Man prima di diventare il protagonista di molti film per la TV e della serie Un detective in corsia, trasmessa dalla CBS per otto stagioni dal 1990 al 2001, e seguita da due film del Dr. Sloan nel 2002. La serie è ora in vendita in tutto il mondo.
Nel 2003, quasi 40 anni dopo il Dick Van Dyke Show, Van Dyke e Mary Tyler Moore si sono riuniti per interpretare due pensionati soli nel dramma di D.L. Coburn, vincitore del Pulitzer, The Gin Game al PBS Hollywood Theater. Hanno lavorato insieme ancora l'anno successivo nei panni di Rob e Laura Petrie nel Dick Van Dyke Show Revisited.
Divorziato dalla moglie nel 1984, Van Dyke ha due figli, due figlie, sette nipoti e due bisnipoti. Vive a Malibu con Michelle Triola.