Née à Chicago, Dorothy Eloise Maloney passe toute sa jeunesse à Dallas au Texas, où elle se découvre une passion pour le théâtre et le cinéma. Elle a 18 ans, lorsqu'un agent de la compagnie RKO sous le charme, la repère et l'engage.

Mais, ce n'est qu'à partir de 1945 qu'elle prend son envol en collaborant avec la Warner. Elle obtient à ses débuts quelques seconds rôles minimes mais intéressants, notamment dans Le Grand sommeil d'Howard Hawks où elle "allume" Humphrey Bogart. C'est le réalisateur Raoul Walsh qui lui permet d'interpréter ses premiers grands rôles notamment dans One Sunday Afternoon, La Fille du désert ou encore en 1955 dans Le Cri de la victoire. En 1954, pour les besoins de Young at Heart, elle sacrifie sa chevelure brune pour le blond platine. Elle simplifie également son nom et Dorothy Eloise Maloney devient Dorothy Malone. Transformations qui entrainent une explosion de sa notoriété. Eblouissante en nymphomane dans Ecrit sur du vent de Douglas Sirk, elle obtient un Oscar en 1956.

Malgré une carrière montante et de belles performances, l'échec d'Une Femme marquée la ramène à des rôles limités. Elle fait malgré tout une dernière grande apparition dans El Perdido en 1961. Elle se consacre par la suite presque uniquement à la télévision, où elle connait néanmoins une petite reprise en devenant Constance Mackenzie dans la série Peyton Place. Elle subit en 1967 une grave opération qui la sombre dans le coma, réanimée elle s'en sort très affaiblie. Licenciée de la série un an après, elle poursuit les producteurs en justice en vain. Son départ entraine alors l’essoufflement de la série en 1969.

Dorothy Malone ne fera plus que quelques rares apparitions au cinéma au cours des années 1970 et 1980 jusqu'à Basic Instinct de Paul Verhoeven où elle trouve son dernier rôle. Elle s'éteint le 19 janvier 2018 à Dallas, au Texas, à l'âge de 92 ans.