Nach Besuch der The Leys School und des Trinity College absolvierte Dale 1895 Teil II des Cambridge Natural Science Tripos in Physiologie und ging dort bis zum Jahre 1900 seinen Forschungen nach, bis er zur St. Bartholomew's Hospital Medical School in London überwechselte, um dort die zum Abschluß seines Medizinstudiums (1902) erforderliche klinische Ausbildung zu absolvieren. 

Er trat 1904 in die Wellcome Physiological Research Laboratories ein, wo er 1906 zum Direktor ernannt wurde. 1928 wurde er der erste Direktor des nach langer Vorbereitungszeit neu eingerichteten National Institute for Medical Research. Diese Position übte er bis zu seiner Pensionierung im Jahre 1942 aus. 

Dales erste Forschungsarbeiten in den Wellcome Research Laboratories befaßten sich mit der Pharmakologie des Mutterkorns. Er wies nach, daß Ergotoxin die blutdruckerhöhende Wirkung des Adrenalins umkehren kann, d. h., daß es eine stark sympatholytische Wirkung hat. Dies war der Ausgangspunkt für seine bemerkenswerten Arbeiten über Anaphylaxie, Histamine und sympathomimetische Amine. Sie führten schließlich zu seinem herausragendsten Beitrag, der Theorie der chemischen Übertragung von Nervenfunktionen. 

Diese Theorie und die Erkenntnis, daß Acetylcholin als Transmitter von Nervenfunktionen in Nervenzellen, Nervenfasern und Übertragungsprozessen wirkt, revolutionierten die früheren Lehren über die Nervenfunktionen. Diese Theorie, die O. Loewi als erster durch Experimente bestätigte, ist mittlerweile ein etablierter und fundamentaler Bestandteil der modernen Physiologie. 

So wurden ihm zahlreiche große Auszeichnungen zuteil, u.a. 1936 der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin (zusammen mit O. Loewi).