Née d'un père mathématicien, enseignant à l'université de Jussieu, et d'une mère restauratrice de tableaux, elle est élève au lycée Condorcet de Paris. Après ses études, elle exerce le métier de serveuse. De 2008 à 2010, Doria Tillier est formée au «Laboratoire de l'acteur» par Hélène Zidi-Chéruy. Elle joue alors dans des courts-métrages et quelques publicités notamment pour le parfum « Mademoiselle Ricci » de Nina Ricci. En 2008, elle apparaît en tant que médecin-légiste dans le thriller Bloody Flowers de Richard J. Thomson avec Amanda Lear. En 2009, elle joue dans la série Action spéciale douanes, diffusée sur France 2. À la rentrée 2012, elle devient la cinquième «miss Météo» du Le Grand Journal de Canal+ où elle succède à Solweig Rediger-Lizlow. Elle quitte l'émission, au bout de deux saisons, en juin 2014. Elle s'impose comme un visage marquant de la chaîne payante. Ainsi, après avoir fait partie de la large distribution principale du second numéro de l'émission à sketchs Le Débarquement, en décembre 2013, elle est choisie pour être la maîtresse de cérémonie des 30 ans de Canal + en novembre 2015. Côté vie privée, son couple avec Nicolas Bedos s'impose dans les médias: en juin 2015, à l'occasion des dix ans de Salut les Terriens!, elle interprète une chanson en hommage à Thierry Ardisson sur une musique de Barbara, écrite par Nicolas Bedos qui l'accompagne au piano. Début 2017, elle tient l'un des rôles principaux du drame Monsieur & Madame Adelman qu'elle a co-scénarisé avec Nicolas Bedos, également réalisateur.
L'Origine du mal
2022
Rôle : George Dumontet
Yves
2019
Rôle : So Balotelli
Canailles
2022
Rôle : Lucie
Canal+ Replay
2021
Rôle : Les bonus de Doria
La Belle Époque
2019
Rôle : Margot
Viens je t'emmène
2022
Rôle : Florence
Mr & Mme Adelman
2017
Rôle : Sarah Adelman
Fumer fait tousser
2022
Rôle : Agathe
40
2024
Rôle : Self
Boléro
2024
Rôle : Misia Sert
Le Jeu
2018
Rôle : Léa
Présidents
2021
Rôle : Natalie
Bloody Flowers
2012
Rôle : Medical Examiner
Une affaire d'honneur
2023
Rôle : Marie-Rose Astié de Valsayre
Le Débarquement
2013
Grand amour
2020
La Soirée anniversaire des 30 ans de Canal+
2014
Rôle : Self