Doris Mary Ann Kappelhoff^[18] var tredje barn av musikklæreren William Kappelhoff (1892–1967) og hans hustru Alma Sophia Welz (1895–1976). Begge foreldre var barn av tyske innvandrere, begge født i Cincinnati.^[19] Hennes fødselsår har vært omtvistet: De eldre biografier nevner 1924, og dette året har hun også selv oppgitt. Men så er det kommet for en dag et dokument fra den offenlige folketellinga i hjembyen Cincinnati fra 1. april 1930, og her er hennes alder oppgitt til sju år. Følgelig må det riktige være 1922, noe som også hennes biograf David Kaufman støtter som fødselsår.^{[trenger referanse]}

Doris Day ble sanger etter en bilulykke i 1937. Hun hadde før dette vært danser, men ble tvunget til et karriereskift. Hun sang med forskjellige storband, og en av storbandlederne hun jobbet med foreslo at hun skulle endre etternavnet sitt til Day etter sangen «Day after Day», som var en del av hennes repertoar. Hun lærte seg aldri å like navnet Day, da hun syntes det klang av stripping.

Med Les Browns orkester hadde Day suksess med en rekke låter, og hun oppnådde blant annet førsteplass på de amerikanske hitlistene med sangen «Sentimental Journey». Senere oppnådde hun flere førsteplasser med sine egne låter. Dette var blant annet sangen fra filmen Mannen som visste for meget, hvor hun også hadde en rolle. Denne sangen, «Que Sera, Sera (Whatever Will Be, Will Be)», ble etter dette hennes kjenningsmelodi. Melodiene «Que Sera Sera» og «Secret Love» vant Oscar som beste filmmelodier, mens Doris Day ble Oscar-nominert en gang for hovedrollen i Kryss på linjen.

Day var gift fire ganger; tre av ekteskapene varte kortere enn fem år. Hennes lengste ekteskap var med produsenten Marty Melcher; de var gift i 17år. Etter Melchers død i 1968 viste det seg at han hadde sløst bort hele hennes formue og satt henne i stor gjeld. For å bli i stand til å betale gjelden gikk hun inn i TV-bransjen, og ledet sitt eget program med tittelen Doris Day Show fra 1968 til 1973. Doris Day fikk sitt eneste barn, sønnen Terry, med sin første ektemann. Da hun senere giftet seg med Marty Melcher, fikk sønnen etternavnet Melcher. Terry Melcher døde av kreft i 2004, 62 år gammel.

I 1987 grunnla Day en dyrebeskyttelsesorganisasjon som hun resten av livet brukte mesteparten av sin tid på.

I 2004 ble Day tildelt Presidentens frihetsmedalje, USAs fremste sivile utmerkelse, av president George W. Bush. Day var selv ikke til stede i seremonien på grunn av sin flyskrekk. Hun har fått to stjerner på Hollywood Walk of Fame.