Dorothy Arzner nacque a San Francisco ma dopo tre anni la famiglia si trasferì a Los Angeles. Il padre Luis aveva un ristorante, l'Hoffman Café, un famoso ristorante di Hollywood, piccolo ma ben arredato, con pannelli scuri e luci basse, una sorta di punto d'incontro obbligato per i pionieri dell'industria cinematografica. Al centro dell'Hoffman c'era un tavolo rotondo, attorno al quale si riunivano D.W. Griffith, Bill Hart, James Cruze, Mack Sennett, Charlie Chaplin, Erich von Stroheim, Hal Roach ed altri. Dorothy Arzner diceva che i suoi amici le avevano predetto che sarebbe finita a lavorare nel cinema perché amava gli attori: "Per l'amore del cielo", diceva, "io non li amavo affatto, avevo paura di loro. Mi prendevano sempre in braccio e mi gettavano in aria".
Dopo essersi diplomata alla Westlake School nel 1915, studia medicina alla University of Southern California e frequenta anche corsi di storia dell'arte e architettura. Allo scoppio della prima guerra mondiale conduce le ambulanze e recapita messaggi per l'Intelligence Department. In questo ambiente incontra il fratello di Cecil De Mille, William, che le offre un lavoro alla Famous Players-Lasky Corporation (successivamente denominata Paramount) come dattilografa nel reparto sceneggiature. In seguito passa a supervisionare le sceneggiature e dopo avere fatto esperienza come assistente al montaggio, viene trasferita alla Realart, consociata della Paramount, dove monta cinquantadue film.
Memorabile è il montaggio della scena della corrida in Sangue e arena (1922) di F.Niblo, interpretato da Rodolfo Valentino, di cui girò anche alcune scene. Nel frattempo era stata richiamata alla Paramount, dove curò il montaggio di I pionieri per la regia di James Cruze. Il film, dopo molte ricerche, era stato girato nella Snake Valley del Nevada: applaudito per l'autenticità delle scene, aveva avuto un grandissimo successo di pubblico.
La Arzner proponeva un innovativo modo di giustapporre suono e immagini: era rivoluzionario l'uso costante della colonna sonora in Working girls (1931) e Merrily we go to hell (1932), o l'impiego di un tema originale di Rodgers e Hart in Nanà (1934); mentre l'interessante film muto Manhattan Cocktail (1928) con Nancy Carroll, ha una colonna sonora, una canzone, i rumori, ma non il dialogo. Quando gira The Wild Party sostituisce i pesanti microfoni fissi con fili appesi in alto dai quali pendeva il microfono che, in questo modo, diventava mobile.
Nel 1933 lascia la Paramount e gira, per David Selznick alla RKO, Falena d'argento. E' regista, l'anno dopo, per Samuel Goldwin di Nanà e nel 1936 per la Columbia di La moglie di Craig e per la MGM di La sposa vestita di rosa.
Nel 1940 gira per RKO il suo film più discusso Dance, Girl, Dance, con Lucille Ball e Maureen O'Hara, dove mette in scena figure femminili di attrici che rivisitano il glamour delle dive classiche: attrici come Lucille Ball propongono una caratterizzazione molto umoristica dell'essere donna, del ruolo femminile tradizionale che ritroveremo esportata in Italia attraverso i telefilm americani della serieI love Lucy negli anni '50. Le figure femminili dei suoi film restano decisamente fuori dai tradizionali ruoli femminili: Dorothy Arzner era infatti considerata una regista femminista, e anche se non era l'unica regista di Hollywood, è stata certamente la più famosa della sua epoca.
La prima critica femminista ha minimizzato il suo lesbismo, tanto che alla fine degli anni '80 era considerata una lesbica immaginaria. Il sospetto era che nell'ambiente di Hollywood il suo aperto lesbismo, visibile nei capelli corti e nei completi giacca e cravatta che indossava, servisse a aprirle le porte di un settore dominato dagli uomini. Con gli anni si cominciò a spargere la voce di romantici legami fra lei e le attrici in cerca di carriera, ma quello che si sa per certo è solo che l'Arzner aveva una forte relazione con la coreografa Marion Morgan.
Allo scoppio della seconda guerra mondiale, la Arzner girò film addestrativi per il Women's Army Corps, e nel 1943 ritornò alla Columbia per dirigere First comes Courage, un film di spionaggio antinazista interpretato da Merle Oberon e Brian Aherne, che venne però ultimato da un altro regista perché la Arzner si ammalò di polmonite. Dopo aver girato 17 film, la Arzner si ritirò dal cinema per vivere nel deserto californiano e fino al 1979, anno in cui morì mentre coltivava l'ambizioso progetto di un romanzo sulla fondazione di Los Angeles, girò 50 pubblicità per la Pepsi Cola, insegnando cinema (fra i suoi allievi Francis Ford Coppola) all'UCLA.