Fille d'un pasteur et de la comédienne Ruby Dandridge, elle apprend à chanter et danser avec sa mère. Parallèlement, la jeune fille et sa soeur aînée, Vivian, se produisent, sous le nom des Wonder Kids, dans des spectacles religieux au sein d'églises. Le duo sillonne ainsi les États-Unis, et elles sont toutes deux très vite repérées par un talent scout de la Metro-Goldwyn-Mayer. En 1932, elles s'installent donc à Hollywood.
En 1934, les soeurs Dandridge sont rejointes par la jeune chanteuse Ella Jones. Ainsi reformé, le groupe se fait désormais appeler les Dandridge Sisters. En 1937, elles apparaissent dans It can't last forever aux côtés de
Ralph Bellamy. La même année, Dorothy joue seule un petit rôle, dans Un jour aux courses aux côtés des Marx Brothers, et se fait engager au célèbre Cotton Club. Le trio se reforme en 1939, pour présenter au Center Theater de Broadway, la comédie musicale Swingin' the dream produite par Erik Charell.
Dans les années 1940, Dorothy Dandridge prête sa voix à plusieurs courts métrages d'animation, et joue des rôles de complément dans plusieurs productions cinématographiques, parmi lesquelles : la Fille du péché (1941) avec
John Wayne, Deux nigauds cow-boys (1942) avec
Bud Abbott et
Lou Costello, Jordan le révolté (1942) avec
Alan Ladd et Depuis ton départ (1944) avec
Claudette Colbert. Artiste complète, elle chante également, toujours sur les scènes de Broadway, dans Meet the people (1940-1941), un spectacle musical de Danny Dare, ainsi que dans l'orchestre de Desi Arnaz.
En 1942, le 6 septembre pour être précis, Dorothy épouse Harold Nicholas, un des frères Nicholas, fameux danseurs de claquettes. (Dans Cotton Club de Coppola, Gregory Hines joue son rôle). Ils eurent en septembre 1943,une fille Harolyn qui se révéla être autiste.
En 1950, Dorothy Dandridge revient au cinéma dans le rôle de Melmendi la reine d'Ashuba dans Tarzan en péril aux côtés de
Lex Barker. Trois ans plus tard, elle joue pour la première fois le rôle principal dans Bright Road, où elle donne la réplique à
Harry Belafonte, qui restera un ami fidèle. En 1954, elle décroche le rôle titre de
Carmen Jones dirigé par
Otto Preminger. Le film est un succès, et son extraordinaire prestation lui vaut une nomination aux Oscars. De ce fait, elle devient la première femme noire à devenir une star du cinéma américain. Elle confirme son talent dans Une île au soleil (1957) avec
James Mason, dans la production franco-italienne Tamango avec
Curd Jürgens et dans Porgy & Bess (1959) avec
Sidney Poitier, toujours de Preminger devenu, entre temps, son amant.
Dans les années 1960, Dorothy tourne encore deux films : le Chemin de la peur (1960) avec
Trevor Howard et The murder men (1961) avec
James Coburn. En 1962,
Christian-Jaque l'engage avec
Alain Delon pour tourner un Marco Polo qui reste inachevé. Cependant, rencontrant de multiples déboires, tant sur le plan professionnel que personnel, elle décide de reprendre sa carrière de chanteuse.
Quelques jours avant son retour sur scène au Basin Street East de New York, Dorothy Dandridge meurt d'une embolie cérébrale à la suite d'un abus de médicaments. C'était le 8 septembre 1965, à West Hollywood, en Californie. Son corps est inhumé au Columbarium de la Victoire, au cimetière de Forest Lawn, à Glendale en Californie.