Doria Tillier se passionne pour la comédie dès l'âge de 6 ans, quand elle découvre le théâtre pour la première fois. Après ses études, elle gagne sa vie en étant serveuse avant d'intégrer le Laboratoire de l'acteur créé par Hélène Zidi. Après des apparitions dans des petits rôles à la télévision, dans des publicités et des courts métrages, Doria devient la nouvelle Miss Météo de Canal + en 2012 et réalise un de ses rêves. La comédienne tiendra sa chronique durant 2 ans, jusqu'en 2014.

En 2017, l'actrice tient son premier rôle principal au cinéma dans Monsieur et Madame Adelman. Elle y incarne Sarah Adelman aux côtés de son compagnon, Nicolas Bedos. À noter que Doria en est aussi la co-scénariste. Le film raconte l'histoire de Sarah et Victor Adelman et s'étend sur 45 ans. Qui était vraiment cette femme énigmatique vivant dans l'ombre de son mari ? Amour et ambition, trahisons et secrets nourrissent cette odyssée d'un couple hors du commun.

Doria rejoint ensuite le casting de la comédie Le Jeu, avec Bérénice Béjo, Roschdy Zem et Vincent Elbaz. Le temps d’un dîner, des couples d’amis décident de jouer à un « jeu » : chacun doit poser son téléphone portable au milieu de la table et chaque SMS, appel téléphonique, mail, message Facebook, etc. devra être partagé avec les autres. Il ne faudra pas attendre bien longtemps pour que ce « jeu » se transforme en cauchemar.

En 2019, la jeune femme incarne So, mystérieuse enquêtrice pour le compte de la start-up Digital Cool, dans Yves. Elle persuade Jérem (William Lebghil) de prendre à l'essai Yves, un réfrigérateur intelligent, censé lui simplifier la vie. L'actrice retrouve ensuite son compagnon Nicolas Bedos pour tourner La Belle époque, dans lequel elle donne la réplique à Daniel Auteuil. Cette romance très esthétique au casting quatre étoiles connaît un joli succès en salles, réalisant plus de 1,2 million d'entrées.

On la voit ensuite dans Présidents d'Anne Fontaine, où Jean Dujardin et Grégory Gadebois jouent Nicolas Sarkozy et François Hollande, puis dans la comédie Viens je t'emmène et la comédie dramatique Canailles. Dans cette dernière, elle enquête sur le gangster François Cluzet et le professeur d'histoire José Garcia. En 2022, elle joue la demi-sœur de Laure Calamy dans le thriller L'Origine du mal et rejoint le déjanté Fumer fait tousser de Quentin Dupieux.

Dans un tout autre registre, Vincent Perez lui offre le rôle féminin principal de son quatrième long métrage, le film d'époque Une affaire d'honneur. Doria y interprète une féministe apprenant l'art complexe du duel à l'épée, en compagnie du maître d'armes Roschdy Zem.