1985, John Petrucci et John Myung quittent Long Island pour intégrer The Berklee Music College à Boston, la célèbre institution musicale dédiée au jazz. À 18 ans, fans de heavy metal, ils se démarquent de la majorité des étudiants, cheveux courts et fans de jazz. La rencontre avec Mike Portnoy, lui aussi originaire de Long Island, scelle le projet des deux John de monter un groupe ensemble. Les trois instrumentistes sont déjà des techniciens et en jammant quotidiennement, ils précisent le futur style de Dream Theater. Entourés de Kevin Moore aux claviers et de Charlie Dominici au chant, ils enregistrent When dream and day unite en 1989, un album qui reste assez inaperçu malgré l'intérêt de la presse spécialisée pour ce quintet conjuguant technique et heavy metal.

Quittant le groupe d'un commun accord avec ses membres, Charlie Dominici laisse le désormais quartet sans porte-voix. Continuant à répéter aussi régulièrement que possible, ils traversent néanmoins l'un des périodes les plus difficiles de leur courte carrière. James Labrie va y mettre un terme en apportant son timbre de voix à l'enregistrement d'Images & words, en 1992. Le succès commercial de cet album propulse le groupe sur les ondes radiophoniques et leurs horizons de tournée s'élargissent jusqu'au pays du soleil levant. Un succès qui, bien que considéré comme un accident par les maisons de disques, crée une attente chez les fans de ce nouveau groupe. Conscient de ces attentes, le groupe enregistre Awake en 1994, plus heavy que son prédécesseur. Le succès honorable de cet album est néanmoins occulté par le départ de Kevin Moore de son poste de claviériste.

La carrière du groupe connaît un nouveau coup d'arrêt, même si Derek Sherinian prend la suite, un temps comme musicien de session, avant de rejoindre définitivement la formation avec l'enregistrement d'A Change of seasons en 1995. Cet album constitué d'un titre épique de 23 minutes, considéré par de nombreux fans comme une des pièces maîtresses de la discographie du groupe, rend aussi hommage à des groupes comme Led Zeppelin à travers des reprises. Les soucis du groupe ne s'en terminent pas pour autant. Falling into infinity, sorti en 1997, marque l'influence d'Atlantic Records, leur label de l'époque, sur les directions artistiques. Plus catchy, pop, l'album déçoit chez une large partie des fans. Le manque de liberté exacerbe les tensions au sein du groupe et Mike Portnoy manque de mettre un terme à la formation. Remercié, Derek Sherinian laisse sa place à Jordan Rudess, dont la virtuosité avait déjà opéré dans Liquid Tension Experiment, qui réunissait déjà John Petrucci, Mike Portnoy et Tony Levin.

Conscient du moment crucial que constitue l'enregistrement du prochain album, Mike Portnoy s'engage dans la voie périlleuse du concept album. Avec John Petrucci, ils donnent une suite à "Metropolis part 1", présent sur Images & words, autour d'une histoire de meurtre irrésolu et de réincarnation. Les efforts du quintet sont récompensés et la tournée qui suit la parution de Scenes from a Memory est un succès, couronné par la parution d'un triple CD live et d'un DVD live (VHS à l'époque). Poussant l'utilisation du concept plus loin, Dream Theater innove en 2002 en sortant un double album. Entre rythmiques heavy et orchestrations techniques, le groupe propose deux pans de sa personnalité, métal d'un côté et progressif de l'autre. Choisissant le côté obscur, le quintet donne naissance en 2003 à Train of thought, la pièce la plus heavy de leur discographie. Instantané live de 3 heures, le DVD marquant le passage du groupe dans le célèbre Budokan rend compte du succès grandissant du groupe dans le monde entier. Pièce presque antithétique par rapport à Train of thought, Octavarium marque un retour au pur style progressif, avec cette fois des touches pop totalement assumées. Concept album autour des chiffres, Octavarium est sacré disque d'or. Là encore un DVD live vient donner le ton de la tournée. Innovation cette fois avec un concert exceptionnel marquant les 20 ans du groupe, avec la présence remarquée d'un orchestre symphonique sur scène.

Par la suite, Systematic Chaos exploite autant les côtés heavy et progressifs du groupe, entre ballade nostalgique et riffs cinglants. 2008 symbolise l'avènement d'un groupe toujours aussi proche de ses fans, avec la parution d'un best-of avec notamment des versions remasterisées d'anciens titres d'Images & words, et d'un nouveau DVD live, parcourant la tournée de Systematic Chaos au travers de 6 concerts différents. 2009 est l'année de la consécration puisque le nouvel album des américains entre à la sixième position du Billboard 200. Black clouds and silver linings, le dixième opus du groupe, poursuit sur la lancée de Systematic Chaos, développant cette ambiance sombre et inquiétante si bien contenue dans "A nightmare to remember".

En septembre 2010, Mike Portnoy annonce qu'il quitte le groupe, prenant tout le monde par surprise, James, Jordan et les deux John en premier. Les circonstances de son départ restent à déterminer. Néanmoins l'on sait que Mike était épuisé par le rythme de Dream Theater, qui enchaîne albums et tournées à peu près tous les deux ans. Il voulait faire une pause et revenir plus tard sur scène. Les autres membres, qui voulaient rentrer en studio pour donner suite à Black clouds and silver linings, ont refusé. L'influence qu'a eu Avenged Sevenfold est la partie la plus floue de l'affaire. Au moment où Portnoy annonce son départ de Dream Theater, il est batteur de session pour les Californiens, et a enregistré un album avec eux. Il est dur de savoir si Avenged Sevenfold a proposé un gros chèque à Mike Portnoy, qui finira par être remercié en décembre 2010. Il proposera à ses anciens compère de revenir dans Dream Theater. Leurs avocats se chargeront de répondre par la négative.
C'est Mike Mangini qui est recruté pour le remplacer. C'est lui que l'on entend sur A dramatic turn of events, qui sort en septembre 2011.