Дороти Стюарт Хэмилл родилась в Чикаго, Иллинойс в многодетной семье Чэлмерса и Кэррол Хэмилл. Она была самым младшим ребёнком в семье. У Дороти есть старший брат Сэнди и сестра Марсия. Вскоре после рождения третьего ребёнка семья переехала в Гринвич, Коннектикут, где и поошло её детство.
Будущая олимпийская чемпионка впервые встала на коньки в восьмилетнем возрасте (начало 1965 года). Местом для тренировок служил замёрзший пруд, который располагался за домом её бабушки. Девочка проявляла невероятное упорство. Позже её родители вспоминали как в половине пятого утра, зимой, их двенадцатилетняя Дороти шла с коньками через плечо за десять миль, чтобы отрабатывать в одиночестве прыжки и вращения, скольжение назад и прочие ледовые пируэты. И вскоре такие тренировки принесли свои плоды. Позже, поступив в секцию фигурного катания, она начала делать просто ошеломляющие успехи.
Свой первый в карьере титул Дороти Хэмилл выиграла в 1969 году на чемпионате США в своей возрастной категории. Тогда ей было всего 12 лет. Весной того же года была приглашена в Мэдисон Сквер Гарден где принимала участие в показательных выступлениях. Годом позже юная спортсменка заняла второе место на Юниорском чемпионате США. В 1971 году состоялся её дебют на Чемпионате мира.
С 1974 по 1976 год побеждала на чемпионате США по фигурному катанию. На чемпионате мира по фигурному катанию 1974 года, который проходил в Мюнхене она завоевала бронзовую медаль. Это было её первое серьёзное достижение в международных соревнованиях. На следующем чемпионате мира она улучшила свой результат, завоевав серебряную медаль.
Самый громкий успех пришёл к ней на Олимпийских играх 1976 года в Инсбруке, где ей удалось стать Олимпийской чемпионкой. В том же года она праздновала ещё одну победу, став чемпионкой мира.
Вот, что она сама говорит о своём выступлении на тех играх:
Также необходимо отметить тот факт, что именно она не только одержала ряд побед в соревнованиях фигуристов, но и внесла вклад в развитие всего фигурного катания в целом. Именно ей принадлежат некоторые элементы фигурного катания, ставшие впоследствии его классикой. Ей приписывают такое упражнение, как «Hamill camel» - вращение, переходящее во вращение сидя.
Буквально на глазах Дороти превращалась в легенду мирового фигурного катания. Её неизменная стильная короткая стрижка немедленно вызвала волну подражаний, а улыбка очаровала миллионы зрителей по всему миру. Толпы фанатов так забрасывали лед, на котором выступала Дороти, цветами, что помогать их собирать выезжало сразу несколько девочек, а трибуны все не желали отпускать свою любимицу.
После завершения своей спортивной карьеры Дороти Хэмилл занялась бизнесом, но, после ряда довольно рискованных инвестиций, она объявила о своём банкротстве.
Кроме того, она сыграла несколько ролей в телефильмах и кинофильмах. Почти все её роли предполагали катание на коньках. Она сыграла в телевизионных фильмах «French-Canadian Christmas» в 1981 году, «The Nutcracker: A Fantasy on Ice» в 1983-ем, сыграла Джульетту в «Romeo and Juliet on Ice» в том же 1983 году, а также Золушку в «Cinderella... Frozen in Time» в 1994-ом и некоторых других. Самой посленей на данный момент ролью в кино является роль в спортивной комедии Джоша Гордона и Уилла Спека «Лезвия славы: Звездуны на льду» (Blades of Glory) (2007 год), которая имела огромный успех.
Дороти Хэмилл была замужем 2 раза. Оба её брака завершились разводами. С 1982 по 1984 Дороти была замужем за Дином Пол Мартином. Являлась мачехой сыну Мартина Александру. В 1987—1995 — за доктором Кеннетом Форсайтом. От второго брака у Хэмилл есть дочь Александра (родилась в 1988 году). Кроме родной дочери воспитывала двух приёмных детей - Дженннифер и Даниэля (Дети Форсайта от предыдущего брака).
В 2007 году у неё был диагностирован рак молочной железы. В январе 2008 году сообщила о том, что была больна раком, но после прохождения курса лечения смогла победить это страшное заболевание и вернулась к участию в различных ледовых шоу.
Вместе со своей дочерью живёт в Балтиморе, Мэриленд.
В одном из своих интервью сообщила, что снова вышла замуж.
В 2002 году участвовала в церемонии открытия Зимних олимпийских игр 2002. Вместе с Диком Баттоном несла факел с олимпийским огнём.
После развода с Дином Полом Мартином страдала от депрессии. Её дочь также страдает от депрессии.
В 2000 году была введена в Зал Славы мирового фигурного катания.