Doris Day pensait initialement faire une carrière comme danseuse à Hollywood avec son partenaire de danse Jerry Dougherty.
Le 13 octobre 1938, en revenant d'une cérémonie pour célébrer son départ pour Hollywood, son auto est entrée en collision avec un train. Les os de sa jambe droite étaient fracassés à deux endroits. Après l'opération sur sa jambe, elle retourne à la maison pour récupérer mais en entrant dans la maison, elle glisse sur le tapis et se fracture une fois de plus la jambe. Elle passe une année complète à se remettre de cette blessure. Pour passer le temps, Doris Day chante les chansons de Blues et de Jazz qui passent à la radio. Elle admire particulièrement la chanteuse Ella Fitzgerald pour sa voix et sa façon de chanter le jazz. Sa mère lui paye des cours de chant avec Grace Raine, contente de voir sa fille reprendre espoir dans une forme d'art : la musique. Grace Raine a rapidement réalisé que Doris possedait un talent rare et lui donna 3 leçons par semaine pour le prix d'une ."
Elle entame sa carrière, sous le pseudonyme de Doris Day, par le music-hall, les grands orchestres et le disque avant de débuter à l'écran en 1948. Avant d'approfondir sa carrière comme chanteuse, Doris chantait pour le groupe Les Brown avec lequel elle a enregistré 42 chansons. Douze de ces chansons ont été dans le top twenty countdown, qui est une liste des chansons considérées comme les plus populaires à la radio. Elle commence à travailler au WLW où elle chante au Midnight Show cinq fois par semaine.
Lors d'une de ses performances, Les Brown écoutait l'émission et tombe amoureux de la voix sensuelle de Doris Day. Le groupe et surtout Doris deviennent de plus en plus reconnus grâce à la chanson Sentimental Journey qui touche les gens qui ont vécu ou ont été témoins de la Seconde Guerre mondiale. Doris Day quitte le groupe Les Brown pour épouser Al Jorden, le tromboniste du groupe de Bob Crosby avec lequel Doris Day a débuté avant Les Brown. Il était un amant très jaloux qui accusait Doris de coucher avec un autre homme. "Her Husband was obsessively jealous, accusing her of affairs when she merely said hello to a male acquaintance, heaping emotional abuse on her, even beating her". Lorsque Doris Day fut enceinte, Al abusait de Doris Day physiquement et mentalement. Elle quitte Al Jorden un an plus tard après son accouchement et retourne à Cincinnati.
En 1942 Doris va bientôt avoir 18 ans. À ce jeune âge, elle a déjà un enfant et est divorcée. Ayant grandi pendant les années de la grande dépression, Doris croit qu'il est important de travailler fort et de gagner sa vie en étant indépendante. Elle obtient, très rapidement, un contrat avec la compagnie de film Warner Bros. pour laquelle elle joue dans de nombreux films musicaux. Doris Day ne cesse de tourner, incarnant, par sa joie de vivre et sa santé morale, l'américaine type.
Le 30 mars 1946 Doris Day épouse son deuxième mari George Weidler, le saxophoniste du groupe Les Brown. Ils déménagent à Los Angeles où Day chante à la radio CBC et Weidler trouve du travail dans un groupe de musique. Doris Day est renvoyée de CBC car ils croyaient qu'elle n'avait pas de talent et qu'elle n'irait pas loin dans sa carrière.
Peu de temps après son divorce avec George Weidler, Doris engage Al Levy comme manager et signe un contrat avec Columbia Records. Grâce à ce contrat elle est invitée à passer une audition pour son premier film Romance à Rio (Romance on the High Seas) en 1947. Sous un contrat de sept ans de 1948 à 1954 avec Warner Bros, Doris joue dans plusieurs films musicaux parmi lesquels : La Femme aux chimères (Young Man With a Horn), Il y a de l'amour dans l'air (My Dream is Your Dream), I'll See You in My Dreams et La Blonde du Far-West (Calamity Jane) ont été reconnus. Elle épouse en 1951 son nouveau manager Marty Melcher.
Elle est une vedette populaire des comédies familiales. Partenaire de
Rock Hudson ou
Cary Grant, elle incarne à l'écran une femme saine et vertueuse. Doris Day tourne aussi avec les plus grands réalisateurs :
Michael Curtiz, David Butler,
Charles Vidor,
Alfred Hitchcock.
Dans le même temps, elle enregistre de nombreux albums. Certains de ces albums sont les bandes sonores des films dans lesquels elle a joué et d'autres sont des albums qu'elle a enregistrés comme chanteuse solo.
En 1968, elle arrête le cinéma et continue sa carrière, comme de nombreuses actrices de sa génération, à la télévision. Marty Melcher, son mari, meurt d'un élargissement de coeur juste avant le début du tournage de sa télésérie The Doris Day Show (en) en 1968. Après cinq ans de télévision, Day décide d'arrêter le show business pour se dévouer à sa nouvelle passion, les droits des animaux.
En 1975, elle publie son autobiographie, intitulée Doris Day, Her Own Story (sa propre histoire).