Сын известного немецкого лингвиста и исследователя религий Германа Александра Дильса.
В 1899 году окончил Берлинский университет, где с 1906 года был профессором; с 1916 года профессор Кильского университета.
Дильс предложил в 1927 году способ дегидрирования органических соединений с помощью селена без изменения их углеродного скелета; дегидрировал холестерин и др. стерины.
В 1928 году совместно с К.Альдером открыл диеновый синтез и получил с помощью этого метода большое число органических соединений различных классов (Нобелевская премия по химии, 1950, совместно с К.Альдером).