Beim Cricket World Cup 2015, schied er im ersten Spiel gegen Afghanistan beim ersten Ball aus. Im zweiten Spiel dominierte er die gegnerische bangladeschische Mannschaft. Teils von Krämpfen geplagt konnte er mit 161* Runs seinen höchsten ODI-Score seiner Karriere erzielen und konnte noch 2 Wickets für 35 Runs als Bowler hinzufügen, was den wichtigen Sieg sicherte. Gegen England erzielte er 44 Runs und gegen Australien 62. Daraufhin erzielte er gegen Schottland ein weiteres Century (104 Runs), der sein letzter internationaler Century seiner Karriere sein sollte. Damit hatte sich Sri Lanka die Qualifikation für das Viertelfinale gesichert und traf dort auf Südafrika. Dort schied Dilshan, ohne einen Run zu erzielen aus und leitete so die Niederlage Sri Lankas ein.