Fratello di Gianluca, a sua volta fondista di alto livello[1], possiede anche la cittadinanza italiana.
Stagioni 2002-2006
Originario di Santa Maria Val Müstair, comune in seguito accorpato a Val Müstair, dopo essersi dedicato nell'infanzia allo sci alpino e in seguito anche al calcio e alla mountain bike[senza fonte] si è dedicato completamente allo sci di fondo. Tecnicamente, Dario Cologna preferisce la tecnica libera alla tecnica classica, pur riuscendo a ottenere buoni risultati anche con gli sci paralleli; è più forte nelle distanze "classiche" dello sci di fondo, dai 10 km in su, pur non disdegnando le sprint. Queste caratteristiche ne fanno uno degli atleti più completi del panorama fondistico internazionale[senza fonte].
Nel 2002 e nel 2003 ha disputato gare FIS e di Coppa Continentale; ha debuttato in campo internazionale ad alto livello ai Mondiali juniores di Stryn nel 2004, senza conseguire risultati di rilievo; ha in seguito partecipato alla rassegna iridata giovanile fino a Kranj 2006, dove ha vinto il bronzo nella 10 km a tecnica classica.
Stagioni 2007-2009
Fino alla stagione 2006-2007 ha gareggiato prevalentemente in circuiti minori; in Coppa del Mondo ha esordito il 26 novembre 2006 nella 15 km a tecnica classica di Kuusamo, senza concludere la gara, e ha ottenuto i primi punti il 24 marzo 2007 nell'inseguimento di Falun (25°). L'11 marzo precedente aveva vinto l'Engadin Skimarathon di Marathon Cup; nella classica del granfondo si sarebbe in seguito imposto anche nel 2010, mentre nel 2008 avrebbe chiuso al secondo posto.
Dalla stagione 2007-2008 ha iniziato a gareggiare regolarmente in Coppa del Mondo; il 28 febbraio ha vinto la 30 km a tecnica libera dei Mondiali Under 23 a Malles Venosta. Nella stagione 2008-2009 è stato costantemente ai vertici della Coppa del Mondo; ha conquistato il primo podio il 6 dicembre 2008 nella 30 km a tecnica libera di La Clusaz (2°) e la prima vittoria nel Tour de Ski 2009. Nella stessa stagione ha vinto anche le Finali di Stoccolma e Falun e, soprattutto, la Coppa del Mondo generale, primo svizzero a riuscirci. Ai Mondiali di Liberec ha ottenuto come miglior risultato il quarto posto nella sprint.
Anche nella stagione 2011-2012 si è aggiudicato la coppa di cristallo generale e quella di distanza, vincendo anche il Tour de Ski e le Finali. Nella stagione 2012-2013 si conferma ai vertici della disciplina, giungendo secondo al Tour de Ski e vincendo la medaglia d'oro nello skiathlon e quella d'argento nella 50 km ai Mondiali in Val di Fiemme.
L'anno dopo ai Mondiali di Falun 2015 ha vinto la medaglia d'argento nello skiathlon, si è classificato 18º nella 15 km, 6º nella 50 km e 5º nella staffetta, mentre Coppa del Mondo ha vinto la sua terza Coppa di distanza e si era inizialmente classificato al 2º posto nella classifica generale vinta dal norvegese Martin Johnsrud Sundby, ma l'accertamento di una violazione delle normative antidoping da parte di Sundby ha indotto la Federazione Internazionale Sci a revocare i risultati ottenuti dallo sciatore nelle gare del 13 dicembre e dell'8 gennaio e, conseguentemente, ad aggiornare le classifiche di gara e di Coppa, assegnando così il trofeo generale a Cologna[2].
Nel novembre 2021 ha annunciato il ritiro dall'attività agonistica al termine della stagione 2021-2022.[3] Ha disputato l'ultima gara nel marzo 2022.[4]