Certaines actrices ont fait leurs débuts au cinéma en passant par la scène, tandis que d'autres ont emprunté le chemin d'une carrière de mannequin couronnée de succès. Dolores Dorn a réussi à concilier les deux, en tant que diplômée du Goodman Art Theatre de Chicago et ancienne finaliste (deuxième et troisième places respectivement en 1950 et 1951) du concours annuel Miss Chicago. Blonde aux traits délicats et au sourire radieux, elle a également été élue « Miss Photoflash » 1951 par l'Association des photographes de presse de Chicago.
Elle est née Dolores Heft en 1933 (certaines sources citent à tort 1934) à Chicago, d'origine principalement lituanienne, fille unique d'un concessionnaire automobile aisé, Edward Heft, et de sa femme Alice. Elle a d'abord fait ses débuts devant les projecteurs au nightclub Chez Paris. En 1954, elle a rejoint la troupe de comédie de répertoire des Schaffner Players en tant que « première ingénue » en tournée à travers l'Illinois, le Missouri et l'Iowa. À un moment donné, elle a été repérée par un talent scout de Warner Brothers alors qu'elle sirotait un soda dans une pharmacie. Cela l'a menée à son premier rôle cinématographique (mineur) dans Le Fantôme de la Rue Morgue (1954) où elle incarnait l'une des victimes du monstre, suivi d'un deuxième rôle dans le western de Randolph Scott Le Chasseur de primes (1954).
Dolores Dorn a fait ses débuts à New York en 1956 dans « Oncle Vania » de Tchekhov au Fourth Street Theatre. Un an plus tard, elle a également joué le rôle d'Yelena Andreyevna dans la version cinématographique qui a suivi (aux côtés de son futur mari Franchot Tone, qui avait 29 ans de plus qu'elle). Ayant attiré l'attention des dirigeants des studios avec une performance off-Broadway dans « Entre deux voleurs », elle a été engagée par le réalisateur Samuel Fuller pour un contrat avec Columbia.
Son premier rôle principal notable pour le studio a été dans Underworld U.S.A. (1961), où elle incarnait la maîtresse d'un gangster, « Cuddles », intérêt amoureux du repris de justice assoiffé de vengeance incarné par Cliff Robertson. Elle était créditée, contrairement à Broadway, simplement sous le nom de Dolores Dorn. Son dernier rôle marquant au grand écran a été dans 13 West Street (1962), un mélodrame à la mode sur la délinquance juvénile dans lequel elle jouait aux côtés d'Alan Ladd.
À la fin des années 1960, Dorn s'est concentrée sur des projets théâtraux à New York et Los Angeles. Il y a eu aussi quelques apparitions à la télévision entre 1973 et 1985, mais c'était à peu près tout. Cependant, derrière les caméras, elle a travaillé comme professeure de jeu d'acteur à l'American Film Institute (1977), à l'Institut Lee Strasberg (1983) et comme coach en jeu d'acteur pour l'émission télévisée de jeu de réalité Star Search (1983).
