Γεννήθηκε στην Αθήνα το 1954 και είναι κόρη του πρώην πρωθυπουργού Κωνσταντίνου Μητσοτάκη και της Μαρίκας Μητσοτάκη.

Το 1974, αμέσως μετά την πτώση της Χούντας, επέστρεψε στην Ελλάδα, από το Παρίσι που ήταν εξόριστη, και τον Δεκέμβριο της ίδιας χρονιάς παντρεύτηκε με το γνωστό δημοσιογράφο Παύλο Μπακογιάννη. Από το γάμο της απέκτησε δύο παιδιά, την Αλεξία και τον Κώστα.

Στις 26 Σεπτεμβρίου του 1989 ο σύζυγός της Παύλος Μπακογιάννης, βουλευτής της ΝΔ στη μονοεδρική περιφέρεια της Ευρυτανίας, δολοφονήθηκε από την τρομοκρατική οργάνωση «17 Νοέμβρη».

Εννέα χρόνια μετά παντρεύτηκε με τον Ισίδωρο Κούβελο. Ολοκλήρωσε τις μαθησιακές της σπουδές στη Γερμανική Σχολή του Παρισιού. Σπούδασε Πολιτικές Επιστήμες και Επικοινωνία στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου. Μετά την επιστροφή της στην Ελλάδα, συνέχισε τις ακαδημαϊκές της σπουδές στη Νομική Σχολή, όπου αποφοίτησε από το τμήμα Δημοσίου Δικαίου της Νομικής Σχολής Πανεπιστημίου Αθηνών. Ομιλεί τη γερμανική, γαλλική και την αγγλική γλώσσα.

Το 1977 έδωσε εξετάσεις στο Υπουργείο Συντονισμού και προσελήφθη ως υπάλληλος στη Διεύθυνση Θεμάτων της ΕΟΚ. Από το 1984 ως το 1989 ήταν υπεύθυνη του Πολιτικού Γραφείου του αρχηγού της αξιωματικής αντιπολίτευσης και Προέδρου της Νέας Δημοκρατίας Κωνσταντίνου Μητσοτάκη.

Στις 5 Νοεμβρίου του 1989, εξελέγη για πρώτη φορά βουλευτής του Ελληνικού Κοινοβουλίου κερδίζοντας  τη μονοεδρική περιφέρεια της Ευρυτανίας, όπου επανεξελέγη και στις δύο επόμενες εκλογικές αναμετρήσεις, της 8ης Απριλίου του 1990 και της 10ης Οκτωβρίου του 1993.

Τον Οκτώβριο του 1990, ορκίστηκε Υφυπουργός στον Πρωθυπουργό και το Δεκέμβριο του 1992, ανέλαβε  το Υπουργείο Πολιτισμού, στην κυβέρνηση της Νέας Δημοκρατίας.

Στις 22 Σεπτεμβρίου του 1996, εξελέγη πρώτη βουλευτής της Νέας Δημοκρατίας στην Α’ Αθηνών, όπου και επανεξελέγη, πρώτη πάλι, στις εκλογές της 9ης Απριλίου του 2000.

Στις 20 Οκτωβρίου του 2002 εξελέγη η πρώτη γυναίκα στην ιστορία της πόλης των Αθηνών Δήμαρχος Αθηναίων, με ποσοστό 60,6%, που είναι το μεγαλύτερο που έχει πάρει ποτέ δήμαρχος στο δήμο της Αθήνας.

Στις 15 Φεβρουαρίου 2006 ανέλαβε τα καθήκοντα του Υπουργού Εξωτερικών στην κυβέρνηση Καραμανλή.

Στις εκλογές της 16ης Σεπτεμβρίου 2007, εξελέγη για άλλη μία φορά πρώτη στην Α’ Αθηνών. Στη νέα κυβέρνηση της Νέας Δημοκρατίας ανέλαβε εκ νέου Υπουργός Εξωτερικών.

Τον Ιούνιο 2008 η Ντόρα Μπακογιάννη εξελέγη στην Γαλλική Ακαδημία Ανθρωπιστικών και Πολιτικών Επιστημών ως η πρώτη γυναίκα ξένος εταίρος.

Στις εκλογές της 4ης Οκτωβρίου 2009 εξελέγη πρώτη σε ψήφους βουλευτής στην Α΄ Αθηνών.

Στις εσωκομματικές εκλογές της 29 Νοεμβρίου 2009 για την ανάδειξη νέου προέδρου στη Νέα Δημοκρατία έλαβε 306.625 ψήφους και ποσοστό 39,72%. Στις 6 Μαΐου 2010 με αφορμή την απόφασή της να υπερψηφίσει στη Βουλή το μηχανισμό στήριξης της ελληνικής οικονομίας διεγράφη από την κοινοβουλευτική ομάδα και  το κόμμα της Νέας Δημοκρατίας με απόφαση του Αντώνη Σαμαρά.

Το Νοέμβριο του 2010 ηγήθηκε πρωτοβουλίας πολιτών που ίδρυσαν το πολιτικό κίνημα της Δημοκρατικής Συμμαχίας.