Дороти Петерсон родилась 25 декабря 1897 года в городе Хектор в Миннесоте. В возрасте 26 лет впервые выступила на Бродвее в «Hudson Theatre». Там она играла роль Софи Биннер в четырёхактной пьесе «Кобра». С апреля 1924 по май 1930 Петерсон сыграла в театре восемь ролей. Наиболее востребованной она была в 1926 году, когда её задействовали в трёх спектаклях в течение года.
В кино Дороти начала сниматься 1930 году. Она сыграла в фильме «Матери плачут». Вскоре её стали приглашать на роли преимущественно тёток, матерей и уважительных миссис почти все студии того времени. В период между 1930 и 1947 годами вышло 80 лент с участием Петерсон. В дальнейшем актрису приглашали сниматься лишь в телесериалах.
Умерла Дороти Петерсон в возрасте 81 года в Нью-Йорке.