Kätherose Derr est née le 22 février 1936 à Wiesbaden, en Allemagne. Elle débute au cinéma à l'âge de 16 ans après avoir été abordée par une productrice pour jouer dans The Silent Angel. Devenue Karin Dor, elle interprète le plus souvent la belle et douce compagne du héros dans des films allemands.
En 1954, elle épouse le réalisateur Harald Reinl sous la direction duquel elle tournera six films dont The Invisible Dr. Mabuse (1962), The Strangler of Blackmoor Castle (1963) et Room 13 (1964).

En 1965, on la voit aux côtés d'un futur adversaire de Bond, Christopher Lee, dans Le Masque de Fu Manchu. Sa prestation dans On ne vit que deux fois (1967) lui permet d'envisager une carrière internationale. Elle joue dans Caroline chérie, en 1967, sous la direction de Denys de La Patellière, puis dans L'étau d'Alfred Hitchcock en 1969.

En 1968, elle divorce de Harald Reinl avec qui elle a eu un fils. Karin Dor poursuit sa carrière en tournant de nombreux films avant d'épouser, en 1988, l'acteur américain George Robotham. C'est à partir de cette date qu'elle se tourne vers la télévision et joue dans des téléfilms allemands tel que Der Preis der Liebe en 1997 et Rosamunde Pilcher en 2000.