Né dans une ferme près deCollins dans l'État deMississippi (Comté de Covington), il est le troisième des treize enfants d'Annis et Charles Forrest Andrews, unpasteurbaptiste. Il reçoit pour prénom les noms de deux des professeurs de son père. La famille ne tarde pas à partir pour leTexas, où elle s'installe àHuntsville, lieu de naissance des plus jeunes enfants (dont l'acteurSteve Forrest, quinze ans plus jeune que Dana Andrews).
Après avoir suivi le collège sur place, Dana Andrews suit des études de gestion àHouston. Il travaille brièvement comme comptable pourGulf & Western.
En 1931, il se rend àLos Angeles pour tenter une carrière de chanteur, tout en faisant de petits métiers, commepompiste. Un de ses employeurs lui paya des études de chant classique, ainsi qu'à la Playhouse dePasadena, prestigieux théâtre et école d'art dramatique. Andrews est engagé parSamuel Goldwyn et, neuf ans après son arrivée à Los Angeles, se voit offrir son premier rôle au cinéma, dans le western deWilliam WylerLe Cavalier du désert, dont la star estGary Cooper.
Dès 1950, l'alcoolisme et letabagisme commencent à perturber sa carrière (ils avaient même failli lui coûter la vie au volant). Il est souvent cantonné dans des rôles secondaires et à des personnages desérie B, parfois bons (il déclara un jour qu'il avait plus gagné dans l'immobilier qu'en tant qu'acteur). Toutefois, le sommet artistique de sa carrière se situe sans doute en 1956, avec les deux derniers films tournés parFritz Lang aux États-Unis :La Cinquième Victime (While the City Sleeps) etL'Invraisemblable Vérité (Beyond a Reasonable Doubt).
En 1963, il est élu président de laGuilde des acteurs. En 1972, après quatre ans de sobriété, il est l'une des premières célébrités à faire une déclaration publique en faveur desAlcooliques anonymes.
Dana Andrews épouse Janet Murray le jour de l'an 1932. Elle meurt en 1935, peu de temps après la naissance de leur fils David (musicien et compositeur, mort d'hémorragie cérébrale en 1964). Le, il épouse en secondes noces l'actriceMary Todd (1916-2003). Ils auront trois enfants : Katharine en 1942, Stephen en 1944, et Susan en 1948. En dépit de son succès, la famille vivait àStudio City dans une maison relativement modeste, achetée au réalisateurJacques Tourneur.
Bien que Dana Andrews ait tenté une carrière de chanteur avant de se lancer dans le cinéma, il ne chante que dans un seul film,La Foire aux illusions (State Fair) deHenry King (1945) — et sa voix y est doublée !