Influït pel naixent rock-and-roll i el moviment beat, el 1961 es traslladà a Nova York, on començà la seva trajectòria artística imitant Woody Guthrie, i adoptà el seu nom artístic, inspirat en el poeta gal·lès Dylan Thomas. Amb un repertori inspirat en la música folk i el blues, fou un dels principals intèrprets, lletristes i compositors de la cançó de protesta. Embolcallat d’un cert misticisme, el contingut social de les seves cançons li donà fama mundial i esdevingué un personatge carismàtic d’aquella època i del moviment juvenil.
Mostra de la seva popularitat fou la gran difusió dels seus primers discos: Bob Dylan (1962), The Freewheelin’ (1963), The Times They Are A-Changin' (1964) i Another Side of Bob Dylan (1964), i de cançons com ara Blowin’ in the Wind, The Times They Are A'Changin', Mr Tambourine Man, etc. El concert multitudinari del festival de folk de Newport pot considerar-se el punt àlgid d’aquesta etapa.
A partir del 1965 canvià radicalment d’estil: les lletres abandonaren els continguts socials i adoptaren un lirisme tràgic i individualista, canvi exemplificat en la cançó Like a Rolling Stone, d’aquest mateix any, mentre que musicalment assimilà el rock-and-roll i, desafiant la tradició més purista del folk, emprà cada cop més instruments elèctrics. Compongué i interpretà la banda sonora del film Pat Garrett and Billy the Kid (1973), de Sam Peckinpah, i el 1978 dirigí i interpretà el film Renaldo and Clara, en el qual participà també com a actor, juntament amb Joan Baez.
De la discografia de la segona etapa cal esmentar Highway 61 Revisited (1965), Blonde on Blonde (1966), Desire (1975), Infidels (1983) i Under the Red Sky (1990). Els anys noranta, la producció discogràfica de Dylan es mantingué amb Good as I Been to You (1992), World Gone Wrong (1993), Unplugged (1995) i el tercer volum de Greatest Hits. L’any 1998 rebé un premi Grammy al millor disc de l’any i al millor disc de folk contemporani per Time Out of Mind i com a millor vocalista de rock per la cançó Cold Irons Bond. Entre el final dels anys setanta i l’inici dels vuitanta experimentà una conversió vers el cristianisme (tot i provenir d’una família jueva practicant) que el portà a compondre i a interpretar gairebé exclusivament temes religiosos.
L’any 2001 publicà Love and Theft, el 2006 Modern Times, el 2009 Together Through Life, el 2015 Shadows in the Night, versions inspirades en interpretacions de Frank Sinatra, i el 2016 Fallen Angels. A banda els àlbums d’estudi, la seva discografia, de més de 40 títols, comprèn també nombrosos directes i recopilatoris. El 2007 rebé el premi Príncipe de Asturias de les arts i el 2008 un premi Pulitzer honorari pel seu impacte en la música popular i la cultura americana. L’any 2012 rebé la Medalla Presidencial de la Llibertat, i el 2016, el premi Nobel de literatura. Després de vuit anys sense presentar cap obra original, el març del 2020 publicà a les xarxes socials una llarga cançó sobre l’assassinat del president J.F. Kennedy (Murder Most Foul), a la qual seguí, al juny, l’àlbum Rough and Rowdy Days.