נולדה בשם דוריס מיי גרין בסנט לואיס, מיזורי, למשפחה יהודית שהיגרה מרוסיה. לאחר עזיבת אביה, לארי גרין, גידלה אותה אמה אן מלצר, עם סבה וסבתה, ברובע הברונקס, ניו יורק. אמה נישאה בשנית לצ'סטר רוברטס, ודוריס אימצה את שם משפחתו. אמה ואביה החורג ניהלו סוכנות שסיפקה שירותים לתסריטאים ושחקנים.
רוברטס השתתפה לראשונה בסדרת טלוויזיה ב-1952, בסדרה "Westinghouse Studio One". בשנות ה-60 וה-70 הופיעה בתפקידי משנה בסרטים כגון "No Way to Treat a Lady" (1968), "The Honeymoon Killers" (1969), "אשת החלומות" (1972), "חטיפת הרכבת התחתית 1 2 3" (1974) ו"רחוב הסטר" (1975). כן הופיעה בתפקידי משנה בסדרות "אנג'י" (1979-1980), "אליס" (1981-1982) ו"רמינגטון סטיל" (1983-1987). במקביל הופיעה לאורך השנים בתפקידי אורח במגוון סדרות, בהן "צער גידול בנות", "אבא חורג, אמא חורגת", "חוק וסדר: כוונה פלילית", "מקום טוב באמצע", "האנטומיה של גריי" ו"עקרות בית נואשות". ב-1990 שיחקה במיני-סדרה של NBC "אמונה עיוורת" בתפקיד טסי מקברייד, אשר מבוסס על ספר באותו שם. בשנת 1992 שיחקה בסרט "אנשים משומשים" - הפקה אמריקאית-יפנית בכיכובם של שירלי מקליין והשחקן האיטלקי מרצ'לו מסטרויאני.
ב-1996 החלה לשחק בסיטקום "כולם אוהבים את ריימונד", בתפקיד מארי בארון, אמו של כוכב הסדרה, ריימונד בארון (בגילומו של ריי רומנו). על משחקה בסדרה הייתה מועמדת 7 פעמים לפרס אמי לשחקנית משנה בסדרה קומית, מתוכן זכתה 4 פעמים. לפני כן זכתה פעם אחת בפרס אמי בשנת 1983 על הופעת אורח בסדרת בית החולים "מקום אחר", כשגילמה הומלסית.
ב-2003 פרסמה רוברטס את ספר זכרונותיה "Are You Hungry, Dear? Life, Laughs, and Lasagna" ("אתה רעב, יקירי? חיים, צחוקים ולזניה"), שנכתב בשיתוף עם דנאל מורטון.
רוברטס הייתה נשואה למייקל קנאטה בשנים 1956–1962. בנם היחיד, מייקל, נולד ב-1957. שנה לאחר גירושיה, ב-1963, נישאה רוברטס לסופר והתסריטאי ויליאם גויאן; הוא מת מלוקמיה ב-1983.