Avant sa naissance, ses parents (sa mère Sharon Thomas, une actrice, et son père Roger Tanaka, militaire de l'Armée américaine) divorcèrent. Déstabilisée, sa mère épouse alors le réalisateur (futur acteur et producteur), Christopher Cain -- Dean et son frère Roger sont alors adoptés par celui-ci.
De cette union naît une fille, Krisinda Cain, qui deviendra elle-même une actrice.
Dean Cain passa toute son enfance à Malibu, en Californie.
Au lycée de Santa Monica, Dean se révéla bon en sport. Lorsqu'il obtint son diplôme en 1984, il dut refuser dix-sept bourses d'études pour étudier à l'Université de Princeton. Il y devint d'ailleurs le capitaine de l'équipe de volley et il joua également dans son équipe de football américain. À la fin de ses études, il sera élu major de sa promotion en histoire en 1988.
Il rejoint ensuite la fraternité Zeta Psi. Tout de suite après son diplôme, il est contacté par une équipe de football américain, les Buffalo Bill's, pour devenir joueur professionnel. Mais au cours de l'un de ses premiers matchs, il est victime d'un violent choc qui réduit son genou en bouillie. Le sentier de la gloire se referme aussi sec mais aux USA, les maniaques de la statistique sportive gardent en mémoire qu'il reste titulaire d'un record universitaire, celui du nombre d'interceptions.
Avec peu d'espoir de refaire un jour du sport, il se met à écrire des scénarios et commence à jouer, tournant dans des dizaines de publicités. En 1991, Dean tourne pas moins de 35 spots dont McDonald's et Coca Cola Light. La même année, il apparaît dans "Dive", son 2ème long métrage puis joue l'année suivante dans "Miracle Beach". Il obtient également des rôles dans des séries populaires comme Grapevine, A Different World et
Beverly Hills. En 1993, Dean endosse le costume de Superman pour la série Loïs et Clark qui s'arrêtera en 1997. C'est cette série qui le rendra célèbre, elle fut diffusée dans plusieurs pays autour du monde.
En 1998, Dean crée sa maison de production, Angry Dragon Entertainment, avec laquelle il produit Ripley's Believe it or Not ! sur la chaîne TBS. Il a également joué dans plusieurs films comme The Broken Hearts Club (2000), Out of Time (2003) et Bailey's Billions (2004). En 2004, il incarne Scott Peterson dans le téléfilm Comportement suspect (The Perfect Husband: The Laci Peterson Story).