Dolores Costello byla dcerou herce Maurice Costello a herečky Mae Costello. Vzhledem k profesi svých rodičů bylo jasné, že má předpoklady k herectví a společně se svojí mladší sestrou Helene se hraní věnovala. Obě měly svůj první debut v roce 1909, kdy začínaly jako dětské herečky pro společnost Vitagraph Film Company. Zahrály si v několika vedlejších rolích ve filmech svého otce, který byl v té době největším hereckým idolem. Za Doloresinu první roli je považována víla z filmu A Midsummer Night's Dream z roku 1909.
O pár let později její herecká kariéra pomalu dosahovala na vrchol, byla mezi diváky a u kritiků velmi oblíbená, že jí brzy začali nazývat „Bohyně stříbrného plátna“. V její kariéře nastali problémy, když vznikla éra mluvícího filmu. Dolores trpěla šišláním, nicméně po dvou letech hlasového cvičení se handicapu zbavila. Mezi její první mluvící snímky patří film The Show of Shows (1929), ve kterém si zahrála se svojí sestrou Helene.
Její herecká kariéra se přesunula na druhé místo hned po narození její první dcery Dolores Ethel Mae "DeeDee" Barrymore v roce 1930, rok poté opustila filmová plátna, aby se mohla věnovat rodině a v roce 1932 se jí narodil syn John Drew Barrymore (otec herečky Drew Barrymore). I když se snažila manželství s Johnem Barrymorem zachránit, nepodařilo se jí to kvůli manželově rostoucímu alkoholismu, a tak se v roce 1935 rozvedli.
Na filmová plátna se vrátila rok po rozvodu a objevila se v nejlepších filmech své kariéry, například v Malý lord Fauntleroy (1936), Skvělí Ambersonové (1942). Posledním filmem, ve kterém si zahrála je This is the Army (1943). Její kariéra byla převážně zničená destruktivními účinky hodně vrstveného make-upu, který nosila při natáčení němých filmů.