Fille du couple d'acteurs Mae et
Maurice Costello, elle apparaît dans de nombreux films tout au long des années 1910 et au début des années 1920, surtout aux côtés de son père et de sa soeur Hélène. Elle monte sur les planches avec sa soeur en 1924 à New York, dans la pièce George White Scandals. Les deux actrices sont remarquées par la Warner Bros. qui les prend sous contrat. L'acteur maison
John Barrymore la choisit comme partenaire dans The Sea Beast en 1926. Ils se marient en 1928 et ont deux enfants, DeDe en 1931 et
John Drew, l'année suivante. Dolores se retire alors des écrans pour élever ses enfants. Sa soeur et son mari, l'acteur
Lowell Sherman, finissent pourtant par la convaincre de divorcer de son mari, alcoolique, en 1935.
Après son divorce, l'actrice participe à plusieurs grosses productions et sa carrière semble redémarrer, mais, prématurément enlaidie par des années de maquillage, elle doit se retirer rapidement dans son ranch californien où elle vit en recluse jusqu'à sa mort.