Hizo su debut cinematográfico como Pauline en Springflod (1990) de Eddie Thomas Petersen, un papel protagonista que le proporcionó un premio Bodil de la crítica danesa y catapultó su carrera. Anteriormente, se había distinguido en el telefilm Cecilie (basado en la obra de Steen Steensen Blichers Hosekræmmeren). En 1995, Trine Dyrholm se graduó en la Escuela Nacional de Teatro de Dinamarca, y el mismo año debutó en escena con la obra A Midsummer Nights Dream en el Grønnegårds Teatret. Desde entonces, ha estado vinculada a tres compañías como Dr. Dante y Østre Gasværk, y ha protagonizado papeles importantes en numerosas obras.