Dyrholm begyndte i en alder af otte år at optræde sammen med Odense Byorkester bl.a. på Odense Teater og ved H.C. Andersen Festspillene i Den Fynske Landsby. Hun kom dog først i mediernes søgelys, da hun som 14-årig deltog i Melodi Grand Prix 1987 med sangen "Danse i måneskin", hvor hun sang med sit band Trine & The Moonlighters. Efter sit Grand Prix-hit, indspillede hun en LP med flere af hendes egne melodier og tekster. Sangen er senere kommet med i Kulturkanonen sammen med 11 andre danske evergreens.  Filmkarriere Hun spillefilmsdebuterede som 17-årig i 1990 med hovedrollen i Eddie Thomas Petersens film Springflod, og for den præstation vandt hun en Bodilpris for årets kvindelige hovedrolle, hvilket førte hende til roller i spillefilm som Casanova af Morten Lorentzen i 1990, Cecilia (tv-opførelse af Hosekræmmeren) i 1991 og De største helte af Thomas Vinterberg i 1996, som hun to år efter i 1998 også lavede filmen Festen sammen med. Hendes rolle i Festen slog for alvor hendes navn fast i den danske offentlighed. I 1998 havde Trine Dyrholm en større rolle i DR1s dramaserie Taxa. Samme år lagde hun stemme til den kvindelige hovedrolle, Megara, i Disney's tegnefilm Herkules og medvirkede desuden på filmens soundtrack med sangen "Jeg er den samme som før".  Teaterkarriere Hun blev uddannet fra Statens Teaterskole i 1995 og optrådte i mange teateropsætninger som En skærsommernatsdrøm på Grønnegårds Teatret i 1995, I en kælder på Dr. Dantes Aveny i 1995 samt Kunst (1996) og Paradis (1997) samme sted. På Østre Gasværk havde hun rollen som Julie i Romeo og Julie 1999, som den "dumme blondine" i Donna Juanna (1999) og spillede sammen med Dejan Cukic i stykket Himmelstormerne. I 2004-2005 medvirkede hun i Anders og Peter Lund Madsens show Mr. Nice Guy på Bellevue Teatret, hvor hun bl.a. sang de tre sange "Stille i verden", "Lille Spejl" og "Avenuen" med tekst af brødrene Lund Madsen og melodier af Kim Larsen. De blev efterfølgende udgivet på Dyrholms ep Mr. Nice Guy. Kim Larsen indspillede coverversioner af "Stille i verden" og "Lille Spejl" som blev udgivet på hans album Gammel hankat og blev kaldt "pladens to bedste sange" i Dagbladet Information. Sangen "Avenuen" blev et kæmpe hit, og lå #1 på singlehitlisten i adskillige omgange, og tilbragte i alt 135 uger på listen. Til trods for at være certificeret til platin med et salg på over 16.000 eksemplarer modtog Dyrholm ikke de adskillige platinplader, som hun var berettiget da pladeselskabet CMC efter eget udsagn ikke holdt øje med det. Hun debuterede på Det Kongelige Teater i 2005 i stykket Hotel Strindberg.  Privatliv Da hun spillede forestillinger på Østre Gasværk Teater, var hun kæreste med teaterchefen Lars Kaalund (1998). I dag er hun kæreste med instruktøren Niclas Bendixen. De blev i januar 2009 forældre til en dreng.