Interrompé els estudis d’enginyeria elèctrica en ser mobilitzat a la Segona Guerra Mundial, durant la qual fou tècnic de radar. L’article de Vannevar Bush del 1945 "As We May Think" sobre el coneixement universal que anomenà Memex (abreviatura de Memory Extender), el portà a interessar-se per la incipient tecnologia dels ordinadors.
Graduat a l’Oregon State College (1948), després de doctorar-se en ciències a la Universitat de Berkeley, Califòrnia (1955), s’incorporà a l’Stanford Research Institute (SRI), on creà l’Augmentation Research Center i desenvolupà, per compte de l’Advanced Research Projects Agency (ARPA), les comunicacions usuari-màquina (interfícies), amb resultats com el primer ratolí (creat el 1969 i la patent del qual obtingué el 1970), a més d’aportacions essencials, com ara els sistemes en línia, l’hipertext, l’edició col·laborativa, les videoconferències i les primeres interfícies gràfiques, entre d’altres.
L’any 1969 creà també, al capdavant del seu equip, la xarxa ARPANET, precursora d’internet. L’any 1986 abandonà l’SRI i el 1988 fundà el Doug Engelbart Institute, dedicat a la recerca. Rebé, entre d’altres, el premi Turing (1997), la Medalla John von Neumann (1999) i la Medalla Nacional de tecnologia (2000).