В июне 2009 года Диллэйн закончил Michael Hall School в East Sussex. Окончательно решив продолжать профессиональную карьеру актера, он поступил в Королевскую академию драматического искусства (англ. Royal Academy of Dramatic Art). Согласно правилам учебного заведения, студенты не имеют права сниматься в кино или играть в театре до окончания учебы. Но для юного Диллэйна администрация академии сделала исключение, и дала разрешение на съемки в драматической комедии Papadopoulos & Sons в 2011 году, так как они происходили во время каникул. Узнав, что Фрэнк утвержден на роль Джеймса Пападопулоса в этом фильме, его отец решил не упускать возможность сниматься вместе с сыном и получил роль кино-отца Гарри Пападопулоса.
В 2013 году Фрэнк получил степень бакалавра искусств в области актёрского мастерства.
В июле того же года у молодого Диллэйна состоялся театральный дебют. В Королевском театре, в постановке Кандида (англ. Candida) режиссера Саймона Годвина ему досталась роль Евгения.
А осенью начались съемки приключенческой драмы В сердце моря (англ. In the Heart of the Sea) под режиссурой Рона Ховарда (англ. Ron Howard). Фрэнк исполнил роль молодого матроса Оуэна Коффина (англ. Owen Coffin). Премьера состоялась в декабре 2015 года.
Весной 2014 года Диллэйн приступил к съемкам в фильме Viena and the Fantomes, где его партнершей стала Дакота Фэннинг (Dakota Fanning). Кинокартина вышла в прокат в 2016 году.
В 2015 году Фрэнк дебютировал на телеэкране, в научно-фантастическом сериале Восьмое чувство (англ. Sense8 ), созданном каналом Netflix. Режиссерами выступили Lana и Lilly Wachowski. Он появился в трех эпизодах в роли персонажа по имени Shugs.
Помимо этого, Диллэйн приступил к съемкам в пост-апокалиптическом драматическом телесериале Бойтесь ходячих мертвецов (англ. Fear the Walking Dead). Премьера состоялась в августе 2015 года. Фрэнк играет одну из ведущих ролей — роль храброго и самоотверженного Николаса Кларка, сына Мадисона и брата Алисии. По сюжету, Ник — бывший наркоман. Поэтому, чтобы подготовиться к роли, актер подробно изучил автобиографическую книгу Thomas De Quincy Исповедь англичанина, употреблявшего опиум (англ. Confession of an English Opium-Eater).
Сериал имеет огромный успех на протяжении всех сезонов и удостоился множества наград и номинаций. В 2016, 2017 и 2018 годах Бойтесь ходячих мертвецов получал по три номинации на премию Сатурн. В 2016 году на эту премию в категории "Best Performance by a Younger Actor on Television" был номинирован персонально Фрэнк Диллэйн за воплощение персонажа Ника Кларка.
Эта роль сделала актера знаменитым и к нему посыпались приглашения от поклонников по участию в частных мероприятиях.
Во время паузы в съемках между первым и вторым сезоном этого сериала Диллэйн исполнил главную роль Алекса Хармана в фильме Astral под режиссурой Криса Мула (англ. Chris Mul).
Помимо карьеры актера, Фрэнк является солистом и бас-гитаристом в группе Tinker Wright.
