Nata a Chicago il 30 gennaio 1925 come Dorothy Eloise Maloney, era indossatrice mentre frequentava ancora il liceo: fu allora che venne notata da un talent-scout in una recita universitaria e scritturata per il film “Il grande sonno” (1946). Dotata di notevole talento drammatico e di uno sguardo sexy, venne impiegata per diversi anni dai registi come la “bella” di film western e noir. Riuscì a imporre la sua personalità nel film “Come le foglie al vento” (1956) per il quale vinse l'Oscar. Nella seconda metà degli anni Sessanta, a causa di una grave malattia, ha diradato le sue apparizioni sul grande schermo. Ma il ruolo che le diede maggiore notorietà presso il pubblico televisivo fu nel serial “Peyton Place”, in cui interpretò dal 1964 al 1969 il personaggio di Constance MacKenzie Carson.
Bruna e affascinante, Dorothy Malone si mise in luce con il ruolo della giovane e occhialuta libraia che discute con Humphrey Bogart nel poliziesco “Il grande sonno” (1946) di Howard Hawks. Il grande successo giunse però alla metà degli anni '50, quando l'attrice cambiò agente e mutò totalmente la propria immagine in bionda aggressiva e sensuale, grazie a una sapiente trasformazione in stile hollywoodiano.
La sua personalità e il suo talento, non sempre ben sfruttato, le consentirono di ottenere ruoli più complessi, come la giovane dal fascino torbido nel film bellico “Prima dell'uragano” (1955) di Raoul Walsh; la spietata e arida ninfomane del melodramma “Come le foglie al vento” (1956), diretto da Douglas Sirk, grazie al quale fu premiata con l'Oscar alla miglior attrice non protagonista. Tra le numerose serie tv a cui prese parte, figurano “Ironside”, “Ellery Queen” e “Le strade di San Francisco” anche se la fama le deriva soprattutto per avere impersonato Constance Mackenzie nella serie-fiume “Peyton Place”.
Nel 1955, nel referendum annuale del Motion Picture Herald, Dorothy Malone fu inclusa tra le dieci più promettenti attrici del cinema americano. Quattro anni più tardi si unì in matrimonio con l'attore francese Jacques Bergerac, già divorziato da Ginger Rogers. L'unione, dalla quale nel 1960 è nata la figlia Mimi e nel 1962 la seconda figlia Diane Alice, si concluse nel 1964, dopo aver accusato il marito di averla sposata solo per fare carriera. Nel 1969 si risposò con l'agente di cambio Robert Tomarkin (ma il matrimonio durò solo tre mesi) e successivamente (dal 1971 al 1973), con l'uomo d'affari Charles Huston Bell, più giovane di lei di 7 anni. La sua ultima apparizione al cinema risale al 1992 quando nel film “Basic Instinct” ebbe un piccolo ruolo accanto a Sharone Stone e Michael Douglas.