Karin Dor wurde 1938 in Wiesbaden geboren. In jungen Jahren versuchte sie sich als Filmkomparsin. Von 1954 bis 1968 war sie mit dem 30 Jahre älteren österreichischen Regisseur Harald Reinl verheiratet, der ihr ihre erste Sprechrolle verschaffte und sie danach in vielen seiner Filme einsetzte. Bei der Hochzeit 1954 gab Dor sich angeblich als zwei Jahre älter aus, um ohne Schwierigkeiten heiraten zu können; deshalb wird in manchen Schriften 1936 als ihr Geburtsjahr genannt. 1955 wurde ihr Sohn geboren.

In den 1960er Jahren spielte sie in mehreren Kinoserien mit, unter anderem in Edgar-Wallace-, Dr.-Mabuse- und Fu-Manchu-Verfilmungen. Darin gab sie zumeist die „verfolgte Unschuld“, die entschlossen und tapfer dem Schurken trotzte, bis sie durch den „Guten“ errettet wurde. Sie spielte dreimal die weibliche Hauptrolle in Karl-May-Filmen: 1962 an der Seite von Götz George in Der Schatz im Silbersee, 1964 als Ribanna, die große Liebe von Winnetou, in Winnetou 2. Teil sowie 1968 in Winnetou und Shatterhand im Tal der Toten. 1994 erhielt sie den Scharlih-Preis, die bekannteste Auszeichnung, die mit dem Namen Karl May verbunden ist.

International bekannt wurde sie durch die Filme James Bond 007 – Man lebt nur zweimal (1967) und Topas von Alfred Hitchcock (1969). Sie starb dort spektakuläre Filmtode: Im Bond-Film wurde sie als rothaarige Agentin Helga Brandt von Piranhas gefressen, bei Hitchcock als Kubanerin Juanita von ihrem eifersüchtigen Liebhaber erschossen. Hitchcock wollte die Sterbeszene wie eine Liebesszene aussehen lassen. Die Kamera war direkt über ihr und ihrem Szenenpartner John Vernon positioniert. Man hört den Schuss, Dor fällt zu Boden, und ihr violettfarbenes Kleid öffnet sich wie eine Blüte. Hitchcock hatte dafür an dem Kleid Fäden anbringen lassen, an denen von mehreren Personen außerhalb des Kamera-Blickwinkels im Moment des Fallens gezogen wurde.

Bis in die frühen 1970er Jahre erhielt sie immer wieder Gastrollen in internationalen Film- und auch Fernsehproduktionen wie Ihr Auftritt, Al Mundy (1969) oder Der Chef (1970). Die allgemeine Filmflaute in jener Zeit, ihre Scheidung von Harald Reinl (1968) und eine Krebserkrankung beeinträchtigten zwischenzeitlich ihre Karriere als Schauspielerin.

1972 heiratete sie den Kaufmann Günther Schmucker; die Ehe wurde 1974 geschieden. 1985, nach anderen Angaben 1988, heiratete sie den Stuntman George Robotham und lebte dann lange Zeit in den Vereinigten Staaten. Mit ihrem an Alzheimer erkrankten dritten Ehemann kehrte sie nach Deutschland zurück. Robotham starb im Februar 2007 in Bonn im Alter von 86 Jahren.

Sie orientierte sich neu und spielte viel am Theater in Klassikern wie Tartuffe, aber auch in Boulevardkomödien wie Der Neurosenkavalier, mit dem sie über 500 Mal auftrat. Sie wirkte auch gelegentlich noch in Fernseh- und Kinoproduktionen mit. Ihr Comeback im Kino hatte sie 2006 in Ich bin die Andere als alkoholkranke Mutter von Katja Riemann. Seit August 2008 spielte sie in der eigens für sie geschriebenen Komödie Man liebt nur dreimal oder Die Katze am Theater in der Komödie im Bayerischen Hof in München. Kurze Zeit nach einem Sturz im Juli 2016 trat sie wieder in der Komödie im Bayerischen Hof auf, erholte sich aber nicht mehr von den Unfallfolgen. Sie starb am 6. November 2017 im Alter von 79 Jahren in einem Münchener Pflegeheim und wurde in Simbach am Inn beigesetzt.