Su nombre de nacimiento es María de los Dolores Asúnsolo y López Negrete. Hija de un acaudalado banquero mexicano, Dolores creció viajando por Estados Unidos y Europa. A los quince años se casó con el escritor Jaime Martínez del Río, un abogado dieciocho años mayor que ella, y cuyo apellido adoptó como nombre artístico.
Fue descubierta en México por el cineasta estadounidense Edwin Carewe y en 1925 desembarcó en Hollywood. En la era del cine mudo llegó a ser considerada como la Rodolfo Valentino femenina. Participó en clásicos del género como Resurrection(1927) y Ramona (1928). Llegó el sonido al cine y el éxito de Dolores se mantuvo, su escena nadando semidesnuda en Ave del Paraíso (1932) escandalizó y deslumbró. Filmó más de 30 películas en Hollywood. Se divorció y se casó con Cedric Gibbons, director artístico de la Metro Goldyn Mayer. Luego se volvió a divorciar cuando conoció y se enamoró de un joven Orson Welles. El apasionado romance terminó mal cuando él la dejó por Rita Hayworth.
Cuando su fama en Hollywood comenzó a decaer, Dolores volvió a México, y entonces su carrera vivió un segundo aire que le permitió acceder a personajes de carácter, alejados del estereotipo latino que le tocó interpretar tantas veces en Estados Unidos. Dos de los títulos más importantes de su filmografía, Flor Silvestre y María Candelaria, son de 1943, el año que volvió a su país. Durante las décadas de los 40 y 50 la actriz actuó en México, Argentina y España. En los 60 volvió a Estados Unidos yprotagonizó junto a Elvis Presley la película Estrella de Fuego. También trabajó en teatro y en series de televisión.
Murió a los 78 años cuando ya llevaba algunos años fuera de las luces.