Fille d'un banquier juif de Russie chassé par la Révolution de 1917, Dora Doll naît à Berlin en 1922. Elle arrive en France à la fin des années 1930 et ambitionne de devenir comédienne. Parlant déjà le russe et l'allemand, elle apprend très vite le français, puis l'italien et l'anglais. Elle s'inscrit comme auditrice au Conservatoire dans le cours dispensé par Louis Jouvet qui la prend en sympathie et chaperonne ses débuts sur scène.
Elle joue des rôles de deuxième et troisième couteau, mais aussi quelques rôles remarquables comme sa Lola dans Touchez pas au grisbi. À Hollywood, elle débute dans un rôle non crédité, une prostituée, dans Un acte d'amour, puis, en 1958, elle joue le rôle de Simone dans Le Bal des maudits avec Montgomery Clift et Marlon Brando. Son rôle de femme du patron de café (Bernard Blier) dans Archimède le clochard avec Jean Gabin, lui vaut un large succès. En 1977, elle joue avec Jane Fonda dans Julia de Fred Zinnemann.
Après une longue carrière au cinéma, elle accède à une grande popularité entre 1998 et 2000 avec le feuilleton Cap des Pins dans le rôle de la mère de Paul Barge et la belle-mère de Claude Jade.