À 16 ans, le Prix d'Art dramatique du conservatoire de Nice en poche, Dominique Guillo s'installe à Paris et intègre la classe supérieure du Cours Jean-Laurent Cochet. Quatre ans plus tard, il décroche le concours de la classe libre du Cours Florent, avec Francis Huster comme professeur.

S'ensuivent une trentaine de pièces de théâtre, dont L'Avare qu'il jouera mille fois, La Nuit de Valognes, première pièce d'Éric-Emmanuel Schmitt, et plus récemment Les Héritiers d'Alain Krief, L'Effet papillon au Théâtre Marigny, et Sœurs malgré tout en 2016 au Théâtre Tête d'or à Lyon. Également chanteur, Dominique Guillo tient en 1999 aux côtés de Francis Lalanne le rôle principal de la comédie musicale Mégalopolis d'Herbert Pagani au Bataclan.

1993 est l'année de sa révélation sur le petit écran. Aux côtés de Macha Méril, il interprète le rôle principal du téléfilm Le Don sur France 2. Sa notoriété s'affirme en 1998 avec l'arrivée sur France 2 du Lieutenant Siskowski pour 78 épisodes de la série La Crim', diffusée avec succès pendant huit ans. Depuis, Dominique Guillo est présent dans de nombreux téléfilms tels que Le Rêve d'Esther, Les Moissons de l'océan, Suspectes avec Ingrid Chauvin, Victor Sauvage aux côtés de Jean-Luc Reichmann, La Loi de Barbara avec Josiane Balasko, et dernièrement Demain nous appartient sur TF1.

Au cinéma, il obtient le Grand Prix d'Interprétation au Festival du Jeune Comédien de Béziers pour le film Bruits d'Amour, et tient le rôle principal des Insaisissables, dernier long métrage de Christian Gion.

Également réalisateur, il signe neuf épisodes de La Crim' pour France 2, deux courts-métrages dont Comme un Silence, plusieurs fois primé, et quatre épisodes de Duval et Moretti, adaptation française de Starsky et Hutch pour M6. Depuis 2021, il est un des réalisateurs récurrents de la série Demain nous appartient sur TF1.

En 2012, Dominique Guillo importe de Broadway et met en scène à Bobino la comédie musicale Avenue Q, dont il confie l'adaptation française à Bruno Gaccio1. Le spectacle sera nommé pour la "Meilleure comédie musicale" lors de la 8e cérémonie des Globes de Cristal.

En 2012 toujours, il co-fonde la société de production Monbo Prod, et produit notamment pour La Chaîne THÉÂTRES une collection de 31 Master Class de Théâtre2.

En 2015, il met en scène Coiffure et Confidences, nouvelle adaptation de Potins de femmes. Jouée en tournée puis au Théâtre Michel, la pièce est captée en 2017 pour C8. S'ensuivent plusieurs mises en scène, dont Nuit d'ivresse de Josiane Balasko, avec Élisabeth Buffet et Denis Maréchal, Sur la route de Madison avec Clémentine Célarié et Aurélien Recoing, et Récréation au Théâtre du Chêne noir, à l'occasion du Festival d'Avignon 2018.

En 2023, toujours au Festival d'Avignon, il adapte avec Brice Hillairet et met en scène la comédie musicale rock queer Hedwig and the Angry Inch, de John Cameron Mitchell et Stephen Trask.