Née d'un père mathématicien, enseignant à l'université de Jussieu, et d'une mère restauratrice de tableaux, elle est élève au lycée Condorcet de Paris. Après ses études, elle exerce le métier de serveuse.

De 2008 à 2010, Doria Tillier est formée au «Laboratoire de l'acteur» par Hélène Zidi-Chéruy. Elle joue alors dans des courts-métrages et quelques publicités notamment pour le parfum « Mademoiselle Ricci » de Nina Ricci. En 2008, elle apparaît en tant que médecin-légiste dans le thriller Bloody Flowers de Richard J. Thomson avec Amanda Lear. En 2009, elle joue dans la série Action spéciale douanes, diffusée sur France 2.

À la rentrée 2012, elle devient la cinquième «miss Météo» du Le Grand Journal de Canal+ où elle succède à Solweig Rediger-Lizlow. Elle quitte l'émission, au bout de deux saisons, en juin 2014.

Elle s'impose comme un visage marquant de la chaîne payante. Ainsi, après avoir fait partie de la large distribution principale du second numéro de l'émission à sketchs Le Débarquement, en décembre 2013, elle est choisie pour être la maîtresse de cérémonie des 30 ans de Canal + en novembre 2015.

Côté vie privée, son couple avec Nicolas Bedos s'impose dans les médias: en juin 2015, à l'occasion des dix ans de Salut les Terriens!, elle interprète une chanson en hommage à Thierry Ardisson sur une musique de Barbara, écrite par Nicolas Bedos qui l'accompagne au piano.

Début 2017, elle tient l'un des rôles principaux du drame Monsieur & Madame Adelman qu'elle a co-scénarisé avec Nicolas Bedos, également réalisateur.