Après la séparation de ses parents, elle vit avec son père. Tout en fréquentant l'école primaire, elle travaille dans l'école de danse de son père alors qu'elle n'a qu'une dizaine d'années. Les années passent, Dorothy Mackaill, jolie adolescente aux cheveux blonds, les yeux noisette persuade son père de la laisser partir a Londres et de lui payer sa pension et ses cours de danse.

Joel McCrea et Dorothy Mackaill - Dans le film de 1931 : Kept Husbands.

Elle trouve un premier emploi de danseuse dans le chœur de la revue Joybells à l'hippodrome de Londres. À 17 ans, invitée à danser à Paris elle est repérée par un chorégraphe de Broadway qui l'a persuade de venir s'installer à New-York. On la voit d'abord comme choriste dans le spectacle de variétés Century Revue, puis, l'année suivante, elle est engagée dans la troupe des Ziegfeld Follies où elle se lie d'amitié avec Marion Davies et Nita Naldi.

En 1920, Dorothy fait ses premiers pas au cinéma, on aperçoit son joli minois dans « The face at the window » de Wilfred Noy, aux cotés de C. Aubrey Smith en criminologue qui tend à résoudre les agissements d'un tueur fou. En 1921, dans une anthologie de quatre histoires « Bits of life » de Marshall Neilan, Dorothy côtoie des vedettes montantes comme Noah Beery, en hindou, et Lon Chaney, le mari violent d'Anna May Wong.

En 1923, elle est la fiancée de Richard Barthelmess en soldat de fortune dans « Par l'épée » de John S. Robertson. Le cinéaste les réunit à nouveau dans une petite romance « Twenty one » elle est Lynnie sa petite amie. En 1924, elle accède au rang de véritable vedette avec le drame « The man who came back» de Emmett J. Flynn, où un playboy alcoolique, joué par George O'Brien, rencontre Marcelle (Dorothy Mackaill) en chanteuse de cabaret accroc à la drogue, ils finissent par s'aimer après un long combat contre leurs démons.

Cette même année, avec treize autres jeunes actrices, elle est nommée WAMPAS Baby Star. Elle est tout aussi remarquable dans la comédie légère, notamment dans « Chickie » (1925) de John Francis Dillon, où dans le rôle-titre, elle est une jeune sténographe qui rêve d'épouser un millionnaire ; puis devient couturière courtisée par un marin en permission, (Richard Barthelmess), dans «Shore leave» (1925) de John S. Robertson ; et une fille arrogante dans « Nuits mexicaines » (1929) de Reginald Barker avec Ian Keith et Myrna Loy.

Dans un triangle romantique « Man trouble » (1930) de Berthold Viertel, Mac (Milton Sills) propriétaire d'une boîte de nuit, sauve la vie de Joan une chanteuse en herbe (Dorothy Mackaill), et par amour, il lui offre un emploi dans sa boîte de nuit, elle lui est reconnaissante, mais son cœur appartient au journaliste Graham (Kenneth MacKenna). Bientôt le parlant entre dans l'industrie du cinéma. Sa voix claire et bien posée, Dorothy passe le cap, sans difficulté, mais la First National Pictures, rachetée par la Warner, ne lui renouvelle pas son contrat. Désormais actrice indépendante, elle tourne pour différents studios.

Pour la Warner dans le mélodrame de William A. Wellman « La fille de l'enfer » (1931) Gilda ( Dorothy Mackaill ) est une prostituée qui est accusée du meurtre de son protecteur ( Ralf Harolde), aidée de Carl, (Donald Cook) son amant marin elle s'enfuit sur une île des Caraïbes, mais le chef de la police locale jette son dévolu sur elle, elle vivra l'enfer avec un point de non retour où lors de la scène finale on voit Gilda marcher lentement vers la potence.

Pour la Columbia Pictures, elle campe une riche héritière qui tombe amoureuse d'un concepteur d'avions (Humphrey Bogart) mais des complications commerciales et un désordre romantique les séparent ; pour la Paramount, elle donne la réplique à Clark Gable dans «Un mauvais garçon» (1932) de Wesley Ruggles, Babe un tricheur de poker fuit Manhattan lorsque sa maîtresse Kay (Dorothy Mackaill) menace de le dénoncer à la police, il rencontre Connie (Carole Lombard) et tombe sous son charme mais Babe est rattrapé par son passé de joueur.

Dans « Picture brides » (1934) une aventure dramatique de Phil Rosen ; quatre femmes par correspondance de la Nouvelle-Orléans, (Dorothy Mackaill, Mae Busch, Esther Muir et Viva Tattersall) arrivent dans la jungle brésilienne sur un bateau fluvial, pour épouser les dirigeants d'une mine de diamants, mais lorsque les jeunes femmes arrivent à destination elles constatent que les choses ne sont pas ce à quoi elles s'attendaient, notamment l'un d'eux est un monstre brutal et pervers (Alan Hale).

En 1937, elle termine sa carrière avec le rôle de Miss Thompson un agent double, dans « Bulldog Drummond aux abois » (1937) un policier de Norman Lee, John Lodge dans le rôle titre affronte des agents étrangers (Victor Jory et Hugh Miller) qui tentent de voler les plans d'un avion top secret. Après ce film Dorothy Mackaill quitte la profession à l'âge de 34 ans pour s'occuper de sa mère invalide. Fin des années 70, elle sort de sa retraite pour apparaître dans deux épisodes télévisés de « Hawaii, police d'état ».

Coté vie privée, Dorothy Mackaill se marie et divorce à trois reprises, avec le réalisateur Lothar Mendes (1926/28), suivi du chanteur Neil Miller (1931/34), et du producteur d'orchidées Harold Patterson (1947/48). Elle reste célibataire jusqu'à la fin de ses jours survenus le 12 août 1990 à Honolulu, à Hawaii. Elle est incinérée et ses cendres dispersées au large de Waikiki.