Després que un accident frustrés la seva vocació de ballarina, es formà com a cantant i el 1940 s’incorporà a la banda de Les Brown com a vocalista. A mitjan anys quaranta començà a actuar en papers secundaris per a la Warner Bros, i el 1948 debutà com a protagonista en la comèdia musical Romance on the High Seas, de Michel Curtiz i Busby Berkeley, gènere amb el qual obtingué un gran èxit amb produccions similars: My Dream is Yours (1949, M. Curtiz); It’s a Great Feeling (1949) i Calamity Jane (1953), de David Butler; Lucky Me (1954), de Jack Donohue, i Love Me or Leave Me (1955), de Charles Vidor, entre d’altres.
Canvià de registre en The Man Who Knew Too Much (1956), d’Alfred Hitchock, notable incursió en el gènere d’intriga. A partir de Pillow Talk (1959), de Michael Gordon, per la qual fou nominada a l’Oscar, se centrà en la comèdia romàntica, amb títols com ara Please Don’t Eat the Daisies (1959), de Charles Waiters; Don’t Disturb (1965), de Ralph Levy; The Glass Bottom Boat (1966), de Frank Tashlin; Where Were You When the Lights Went Out? (1968), de Hy Averback, i With Six You Get Eggroll (1968), de Howard Morris.
Deixà d’actuar al cinema en morir el seu tercer marit, el productor Martin Melcher (1968), però entre el 1968 i el 1973 protagonitzà amb gran èxit The Doris Day Show a la televisió. Posteriorment es dedicà a la protecció dels animals. L’any 1989 rebé el premi Cecil B. de Mille a la trajectòria, el 2004 la Medalla Presidencial de la Llibertat i el 2006 un Grammy a la trajectòria.