Дороти Элоиз Мэлоуни (англ. Dorothy Eloise Maloney) родилась 30 января 1925 года в Чикаго. Вскоре после её рождения семья переехала в Даллас, где юная Дороти стала сниматься в качестве модели и принимать участие в школьных театральных постановках. Во время обучения в Южном Методистском университете её заметил агент «RKO» и вскоре она подписала контракт с этой кинокомпанией. В 1942 году состоялся её кинодебют.
На раннем этапе своей карьеры Дороти Мэлоун в основном снималась в фильмах категории «B», многие из которых были вестернами. В 1940—1950 годах наиболее известными её ролями стали владелица книжного магазина в фильме «Большой сон» (1946), а также Эбигэйл в картине «Художники и модели» (1955).
В 1956 году актриса получила премию «Оскар» за роль в фильме «Слова, написанные на ветру». После этого она привлекла к себе ещё большее внимание режиссёров, и в последующие годы её пригласили на съёмки в такие кинокартины, как «Человек с тысячей лиц» (1957), «Запятнанные ангелы» (1958), «Шериф» (1959) и «Последнее путешествие» (1960).
С конца 1950-х годов Дороти Мэлоун стала сниматься на телевидении. С 1964 по 1969 год она исполняла роль Констанс МакКинзи в телесериале «Пэйтон-Плэйс». Её последней ролью в кино стала Хэйзл Добкинс в фильме «Основной инстинкт» в 1992 году. За вклад в киноиндустрию США актриса удостоена звезды на Голливудской аллее славы по Вайн-стрит 1718.
Дороти Мэлоун трижды была замужем и трижды разводилась. От первого мужа, французского актёра Жака Беркерака, родила дочерей Мими и Дайан.