Η Ντόρις Ντέι γεννήθηκε στο Σινσινάτι του Οχάιο στις 3 Απριλίου 1922, αν και η ίδια δήλωνε ως έτος γεννήσεως το 1924 και άρχισε τη σταδιοδρομία της τραγουδώντας σε μπάντα το 1939.
Η δημοφιλία της άρχισε να αυξάνεται μετά την ηχογράφηση του τραγουδιού «Sentimental Journey» το 1945.
Μετά την εγκατάλειψη της μπάντας του Λες Μπράουν για την έναρξη σόλο καριέρας, η Ντέι άρχισε τη μακρά συνεργασία της με την Columbia Records, από το 1947 ως το 1967 και με περισσότερες από 650 ηχογραφήσεις, που κατέστησαν την Ντέι μία από τις δημοφιλέστερες τραγουδίστριες του 20ού αιώνα.
Το 1948 μία ακρόαση για τον σκηνοθέτη Μάικλ Κερτίζ, την οδήγησε στον πρώτο γυναικείο ρόλο της κινηματογραφικής ταινίας Το ρομάντζο των 7 θαλασσών.
Κατά τη διάρκεια της σταδιοδρομίας της η Ντέι εμφανίσθηκε σε 39 κινηματογραφικές ταινίες που σημείωσαν μεγάλη εμπορική επιτυχία. Η Ντέι ήταν υποψήφια για Όσκαρ για την ερμηνεία της στην ταινία Τα Απόρρητα της Κρεβατοκάμαρας (Pillow Talk, 1959), χάνοντας το βραβείο από τη Σιμόν Σινιορέ.
Κέρδισε τρία Βραβεία Henrietta, ένα βραβείο για το σύνολο της προσφοράς της από την Ένωση Κινηματογραφικών Κριτικών του Λος Άντζελες και, το 1989, το Βραβείο Χρυσής Σφαίρας Σεσίλ Ντε Μιλ για το σύνολο του έργου της στον κινηματογράφο. Γύρισε την τελευταία ταινία της το 1968.
Ως τραγουδίστρια, τιμήθηκε με το Βραβεία Γκράμι για Συνολική Προσφορά. Τραγούδησε επίσης το βραβευμένο με Όσκαρ τραγούδι «Que Sera, Sera» (στην ταινία του 1956 Ο άνθρωπος που γνώριζε πολλά).
Το 2011 κυκλοφόρησε το 29ο άλμπουμ της, το My Heart, που έφθασε στο νo. 9 των Top 40 charts του Ηνωμένου Βασιλείου.
Από το 1971 η Ντέι άρχισε τη δραστηριότητά της ως υπέρμαχος των δικαιωμάτων των ζώων, όταν συνίδρυσε τον σύλλογο «Actors and Others for Animals» («Ηθοποιοί και άλλοι υπέρ των ζώων»). Στα τέλη της δεκαετίας ίδρυσε τον δικό της μη κερδοσκοπικό οργανισμό, τον Doris Day Animal Foundation και αργότερα το Doris Day Animal League (DDAL).
Το 2004 η Ντόρις Ντέι τιμηθηκε με το Προεδρικό Μετάλλιο της Ελευθερίας από τον τότε Πρόεδρο των ΗΠΑ Τζορτζ Μπους σε αναγνώριση των «διακεκριμένων υπηρεσιών της προς τη χώρα».
Η Ντέι έχει παντρευτεί 4 φορές και απέκτησε ένα γιο, τον μουσικό Τέρυ Μέλτσερ (1942-2004), και είχε έναν εγγονό.