Она появилась на свет 12 сентября 1933 года в Ленинграде в семье повара и домохозяйки. Любовь к театру маленькой Тане привил её отец, который каждые выходные старался водить дочь на новые постановки. Уже в восьмом классе юная Доронина успешно прошла экзамены в Школу-студию МХАТ, но студенткой не стала — у неё ещё не было школьного аттестата. Зато спустя два года Татьяну с распростёртыми объятиями приняли в стенах знаменитого учебного заведения.
В Школе-студии МХАТ на красавицу Доронину засматривались все однокурсники, но она предпочла харизматичного и талантливого Олега Басилашвили. Молодожёны вместе делали первые шаги на сцене БДТ под руководством Георгия Товстоногова и пробовали себя в кадре. Брак длился восемь лет, но постепенно отношения себя изжили.
Вторым мужем Дорониной стал театральный критик Анатолий Юфит, который однажды посетил спектакль с участием актрисы и был сражён её красотой. Конец браку наступил, когда второй супруг не смог встретить жену с гастролей.
Зато её встретил молодой драматург Эдвард Радзинский. С ним актриса уехала в Москву, а вскоре влюблённые сыграли свадьбу. Радзинский написал для жены множество пьес, причём продолжал посвящать ей тексты и после развода.
Четвёртым супругом Дорониной стал коллега по театру Борис Химичев. Актёры прожили вместе девять лет, но властный характер жены положил отношениям конец.
В пятый раз Татьяна Доронина вышла замуж за человека нетворческого. С членом ЦК и работником Главного управления нефтепромышленности Робертом Тохненко актриса познакомилась в садовом товариществе «Артист», где была председателем. Когда новоиспечённый обладатель дачи увидел известную артистку в простом ситцевом платье, то потерял голову. Они начали вместе заниматься дачными делами, а вскоре поняли, что друг без друга не могут. В этом браке главной вновь была Доронина, а муж всегда оставался на вторых ролях. Ради неё он даже забросил карьеру, но актриса жертвы не оценила. В 1985 году они расстались, и с тех пор Доронина больше не выходила замуж.
Татьяна Доронина официально была замужем пять раз, но детей ей судьба не подарила. Всю свою нерастраченную материнскую любовь актриса вложила в картину «Мачеха», на съёмках которой отлично поладила сразу с тремя маленькими детьми. Критики называли роль Шуры Олеванцевой лучшей киноработой в карьере Дорониной. В год премьеры «Мачехи» читатели журнала «Советский экран» признали её лучшей актрисой, а на международном кинофестивале в Тегеране она получила специальный приз.
Вот уже больше тридцати лет актриса не появляется на киноэкране. Её последней работой в кино стала главная роль в мелодраме «Валентин и Валентина», но после выхода этого фильма Доронина всецело посвятила свою жизнь театру. С 1987 года актриса возглавляла труппу МХАТа имени Горького, а в 2018 году специально для неё Министерство культуры создало почётную должность — президент театра.
Татьяна Доронина в последний раз вышла на сцену в 2019 году — сыграла главную роль в спектакле «Васса Железнова» по случаю 15-летнего юбилея постановки. С тех пор актриса не появляется в стенах родного театра. Причиной тому стали разногласия с новым руководством, которое отказывалось финансировать постановки Дорониной. Сегодня актриса редко выходит в свет и почти не даёт интервью. Она живёт в одиночестве в московской квартире и лишь изредка принимает у себя друзей и коллег. О театральной юности, проведённой за кулисами, Доронина написала книгу воспоминаний «Дневник актрисы».