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 « Mademoise...