Дорис Дэй родилась 3 апреля 1922 года в Цинциннати, в семье домохозяйки и учителя музыки. Её бабушка и дедушка были немецкими иммигрантами. У неё было два брата, один умер до её рождения, а второй брат, Пол, был старшим в семье.
Родители Дорис развелись, когда она была ещё маленькой, и девочка осталась жить с матерью. Как и многие в её возрасте, она очень любила танцевать. В 14 лет она выиграла шоу талантов в паре с Джерри Доэрти. Поверив в свои силы, танцевальная пара решила поехать покорять Голливуд. Но по трагичной случайности, за несколько дней до переезда, в машину, на которой ехала Дорис, врезался поезд и это положило конец её танцевальной карьере.
Для девушки это был серьёзный удар, но после нескольких взятых уроков пения, она нашла своё новое призвание и уже в 17 лет начала гастролировать в составе Les Brown Band. Дорис вышла замуж за тромбониста оркестра Эла Джордана в 1941 году. Брак продлился недолго, через два года супруги развелись, вскоре после рождения общего сына Терри.
В 1946 году Дорис выходит замуж за саксофониста Джорджа Уайдлера, но и этот брак продлился менее года. Агент Дорис уговорил её пройти кинопробы в Warner Brothers. Руководителям студии девушка очень понравилась и с ней тут же был подписан контракт.
Её первая главная роль была в фильме "Роман в открытом море" (1948). В следующем году она снялась ещё в двух фильмах "Мои сны твои" (1949) и "Это великое чувство" (1949). Зрители полюбили её за красоту, потрясающий голос и жизнерадостность. Она снялась ещё в трёх фильмах в 1950 году и в пяти в 1951. В том же году она вышла замуж за Мартина Мэлчера. Супруг согласился усыновить её сына, Терри, который позже стал успешным продюссером звукозаписи.
В 1953 году Дорис снялась в фильме "Джейн-катастрофа" (1953), который стал самым успешным в её карьере. Затем последовали "Везунчик" (1954), "Люби меня или покинь меня" (1955), "Человек, который слишком много знал" (1956), и, вероятно, самый её известный фильм "Телефон пополам" (1959). Начало спада в кинокарьере ознаменовал довольно успешный фильм "Пожалуйста, не ешь маргаритки!" (1960).
В 1958 году умирает её брат Пол. Муж Дорис уговаривает её сниматься в неинтересных для актрисы фильмах. Всё это приводит к моральному истощению. В 1960-е было снято не так уж много фильмов с её участием, но были и успешные. Такие как "Беспокойный свидетель" (1965), "Лодка со стеклянным дном" (1966), "А где ты был, когда погас свет?" (1968) и "Шестеро под одной крышей" (1968). В 1968 году умирает её муж, Мартин Мэлчер, выяснилось что незадолго до смерти он подписал контракт с телевидением на выпуск "Шоу Дорис Дэй". Шоу пользовалось успехом и шло до 1973 года. После снятия шоу с эфира, Дорис лишь изредка появлялась на телевидении.
В 1976 году Дорис вышла замуж в четвёртый раз, и после развода в 1980 году, полностью посвятила свою жизнь животным. Ею была создана организация "Лига животных Дорис Дэй", которую она сама и финансировала.
В 1990-е годы вновь появился интерес к Дорис Дэй. В 1992 году вышел диск с лучшими её хитами, а одна из песен была использована для саундтрека к фильму "Строго по правилам" (1992). В начале 2000-х большим спросом пользовались диски с её фильмами, в интернете появилось много посвящённых ей веб-сайтов. В 2011 году альбом «My Heart», по информации Би-Би-Си, вошёл под девятым номером в британский музыкальный чарт.
В 2004 году актриса была награждена "Президентской медалью свободы". 9 февраля 2008 состоялась церемония "Грэмми", на которой Дорис Дэй была вручена награда за достижения всей её жизни.
У Дорис есть две звезды на Голливудской аллее славы — за вклад в развитие кино и за развитие музыкальной индустрии США.
Дорис Дэй умерла 13 мая 2019 года после воспаления лёгких в возрасте 97 лет.