Дороті Елоіз Мелоуні (Dorothy Eloise Maloney) народилася в Чикаго. Незабаром після її народження сім'я переїхала в Даллас, де юна Дороті стала зніматися як модель і брати участь у шкільних театральних постановках. Під час навчання в Південному методистському університеті помічена агентом «RKO» і незабаром підписала контракт з цією кінокомпанією. У 1942 році дебютувала в кіно.
На ранньому етапі кар'єри Мелоуні в основному знімалася в фільмах категорії «B», багато з яких були вестернами. У 1940—1950 роках найвідомішими її ролями стали: власниця книгарні у фільмі «Великий сон» (1946), а також Ебігейл в картині «Художники і моделі» (1955). У 1953 році знялася у фільмі «Закон і Порядок» з Рональдом Рейганом.
У 1957 році Мелоуні отримала премію «Оскар» за роботу у фільмі «Слова, написані на вітрі». Пізніше здобула ще більшу увагу режисерів, і в наступні роки запрошена на зйомки в такі картини, як «Людина з тисячею облич» (1957), «Заплямовані ангели» (1958), «Шериф» (1959) і «Остання подорож» (1960).
З кінця 1950-х Дороті Мелоуні стала зніматися на телебаченні. З 1964 по 1969 роки вона виконувала роль Констанс Маккінзі в телесеріалі «Пейтон-Плейс». Її останньою роллю в кіно стала Гейзл Добкінс у фільмі «Основний інстинкт» в 1992 році. За внесок в кіноіндустрію США акторка удостоєна зірки на Голлівудській Алеї Слави по Вайн-стріт 1718.
Дороті Мелоуні була в трьох шлюбах. Від першого чоловіка, французького актора Жака Беркерака, народила доньок Мімі і Дайан.
