Son vrai nom est Donald David Dixon Ronald O'Connor. Il est le 7e enfant (dont trois moururent avant l'âge adulte) de John Edward « Chuck » O'Connor et Effie Irene Crane. Son père meurt d'une crise cardiaque alors que Donald n'a pas encore 2 ans, mais le souvenir d'un homme doué pour le spectacle reste pour lui une grande source d'inspiration.
En 1937, il fait ses débuts à l'âge de 12 ans dans le film Melody For Two avec ses deux frères Jack et Billy, mais sa scène est coupée au montage. En 1938, son premier « vrai » film est Sing You Sinners avec Bing Crosby. Celui-ci est impressionné par le talent du jeune enfant et l'initie rapidement au monde du cinéma.
En 1939, son frère Billy meurt de la scarlatine alors que sa famille s'apprêtait à partir en tournée en Australie, Donald doit mettre en veille sa carrière cinématographique et repart en tournée jusqu'en 1942.
En 1942, Donald est redécouvert par Hollywood. Il rejoint les Jivin' Jacks and Jills, une troupe de jeune danseurs âgés de 12 à 17 ans formée par les studios Universal. Donald se distingue rapidement avec sa partenaire Peggy Ryan et devient une grande vedette, mais il ne s'en rend même pas compte tant le studio l'exploite (encore mineur, il travaille parfois sur trois films simultanément)
En 1943, il est enrôlé dans l'armée et présente alors plus de 3 000 spectacles pour les troupes américaines. Pendant ce temps, Universal continue de faire sortir les 14 films tournés par Donald et Peggy durant les deux dernières années. En 1944, à la veille de finir son service le 7 février, Donald épousa Gwen Carter, actrice et amour d'enfance âgée de 17 ans. Mais leur mariage est un échec, et ils divorcent en 1954. Ils ont une fille Donna Gwen en août 1945.
Après la Guerre, Donald devient l'une des plus grandes vedettes d'Hollywood dans les années 1940 et 1950, se distinguant notamment dans des comédies musicales.
En 1950, son rôle dans Francis, l'histoire d'un soldat qui parle avec une mule, est un tel succès que cinq suites sont tournées jusqu'en 1955. Il ne tourne cependant pas dans le 7e et dernier épisode, Francis In The Haunted House, excédé par ce rôle (après le 3e film, la mule recevait plus de courrier de fans que lui)
Durant sa « période Francis », il continue à tourner des comédies musicales, et notamment Chantons sous la pluie (1952). Il touche 50 000 $ pour son rôle mémorable dans ce film. Il doit prendre trois jours de repos après avoir tourné la scène éprouvante mais inoubliable de « Make 'Em Laugh », mais à son retour Gene Kelly lui apprend que la prise a été ratée et qu'il doit tout refaire. Il remporte un Golden Globe pour son rôle dans ce film.
En 1952, il présente l'émission TV The Colgate Comedy Hour qui rencontre un grand succès. La même année, il présente la cérémonie des Academy Awards, diffusée depuis 1951 à la télévision.
En 1953, son duo avec Vera-Ellen dans Appelez-moi Madame (Call me Madam) fonctionne à merveille. Une nouvelle étape de sa carrière semble s'offrir à lui, mais les tentatives de les réunir à nouveau, notamment pour White Christmas, échouent.
Une fièvre contractée au contact des animaux l'empêche d'obtenir un rôle dans White Christmas (1954), à son grand dépit.
En 1954, il tourne l'une de ses plus célèbres comédies musicales : La Joyeuse Parade (There's no business like show business), dont la star est Marilyn Monroe, rendue célèbre l'année précédente par son rôle dans Les hommes préfèrent les blondes. Marilyn se plaint que Donald est trop jeune pour interpréter son amoureux (il a pourtant neuf mois de plus qu'elle), et la scène où ils s'embrassent s'avère particulièrement embarrassante à tourner pour tous deux. Le tournage n'est guère facilité par la présence sur le plateau de Dan Dailey, qui joue dans le film le rôle du père de Donald, et qui est l'amant de sa femme Gwen. Il l'épouse d'ailleurs peu après leur divorce.
En 1955, il met un terme à son contrat avec Universal Pictures après
Francis In The Navy (1955) car il est excédé de se voir attribuer des rôles de « gentil garçon ». En cadeau d'adieu pour celui qui leur avait permis d'engranger des centaines de millions de dollars, le studio lui offre une caméra Minox et 14 pellicules. Cette décision marque le début du déclin de sa carrière à Hollywood.
En 1956, son unique film est Anything Goes où il retrouve Bing Crosby (son « père » de 1938). Cette fois, ils jouent le rôle de deux amis du même âge, ce qui déconcerte un peu Donald. C'est sa dernière vraie comédie musicale.
Il épouse Gloria Noble. Ils ont 3 enfants : Alicia (1957), Donald Frederick (1960) et Kevin (1961).
En 1957, il accepte avec enthousiasme le rôle principal (et non comique) de L'homme qui n'a jamais ri censé raconter la vie de Buster Keaton, l'un de ses modèles. Mais il déchante vite et avoue que « 60% de ce qui est raconté dans le film est faux ».
De 1957 à 1960, ses rôles se font plus rares, y compris à la télévision. Il décide de mettre la pédale douce après toutes ces années folles dans le milieu du show biz.
Dans les années 1960, il ne fait que trois films, participe à quelques émissions TV, et retrouve le milieu du music hall, partant en tournée à travers les États-Unis avec la troupe du spectacle Little Me.
Mais il goûte à l'alcool et, bientôt, arrive soûl aux représentations, quand il ne les manque pas purement et simplement. Il devient persona non grata dans le milieu du spectacle. Sa femme le quitte (elle le rejoint une fois guéri) et il obtient la garde de ses 4 enfants.
Dans les années 1970, il travaille encore occasionnellement à la télévision. Son unique film est sa contribution (avec d'autres vedettes d'Hollywood) au documentaire Il était une fois Hollywood (1974) où il présente les extraits de films d'Esther Williams. En 1971, il a une crise cardiaque. En 1978, il entame une cure de désintoxication couronnée de succès.
Dans les années 1980, revigoré, il tente de relancer sa carrière. Son pilote de The Music Mart pour NBC avec ses partenaires de longue date Sid Miller et Gloria DeHaven est un échec. Échecs également à Broadway avec Bring Back Birdie et à Toronto dans Say Hello to Harvey !
Il retrouve le succès avec son rôle de Cap'n Andy dans le spectacle Showboat. Il obtient également un tout petit rôle dans le film
Ragtime avec James Cagney dans un de ses derniers rôles. On le voit également à la télévision faire des apparitions dans des séries comme L'île mystérieuse ou La croisière s'amuse. Vers la fin des années 1980, il doit ralentir à cause de problèmes cardiaques. Il décide de se faire opérer, avec succès.
En 1992, il joue le rôle du père de Robin Williams dans Toys pour une scène de 5 minutes. Le film fut un désastre au box-office.
En 1994, il échappe de peu à la mort avec sa femme lorsque, lors d'un tremblement de terre, sa maison sort de ses fondations et manque de tomber dans une crevasse, mais est heureusement stoppée par un grand arbre.
En 1997, il tourne ce qui est son dernier film, La croisière galère (Out To Sea), avec Jack Lemmon et Walter Matthau, dans lequel on le voit beaucoup danser. En 1998, il se lance dans la revue The Fabulous Palm Spring Follies qui regroupe des artistes âgés de plus de 54 ans. Le 30 janvier, gravement malade d'une double pneumonie, il est à l'article de la mort mais guérit finalement.
Il décède le 27 septembre 2003 à l'âge de 78 ans. D'après sa famille, ses derniers mots furent : "« Je tiens à remercier l'Académie des Oscars pour le Lifetime Achievement Award (Oscar d'honneur pour l'ensemble de la carrière) quand ils me l'offriront. » Lors de la cérémonie 2004 des Oscars, un hommage particulier lui fut rendu, mais aucun Oscar ne lui fut décerné.
Il est enterré au cimetière de Forest Lawn à Los Angeles, sur les hauteurs d'Hollywood. Il possède une étoile sur le Hollywood Walk Of Fame, au 1680 Vine Street.