
Karier film Day berawal pada masa-masa senja perfilman Hollywood klasik lewat film Romance on the High Seas (1948). Kesuksesan film ini memantapkan Day untuk menjadi aktris film selama dua puluh tahun berikutnya. Ia membintangi sejumlah film sukses, termasuk film musikal, komedi, dan drama. Ia memerankan tokoh utama di film Calamity Jane (1953) dan membintangi The Man Who Knew Too Much (1956) bersama James Stewart. Film-film tersukses yang dibintangi Day selalu melibatkan Rock Hudson dan James Garner, misalnya Pillow Talk (1959) dan Move Over, Darling (1963). Ia juga menjadi pemeran pendamping bersama sejumlah aktor ternama seperti Clark Gable, Cary Grant, David Niven, and Rod Taylor. Ia mengakhiri kariernya di dunia perfilman pada tahun 1968, lalu membintangi sitkom The Doris Day Show (1968–1973) di CBS.
Sebagai aktris, ia merupakan bintang film perempuan ternama pada awal 1960-an dan pemeran terpopuler keenam pada tahun 2012.[2][3][4] Pada tahun 2011, ia merilis album studio ke-29, My Heart, yang menduduki sepuluh besar tangga lagu Britania Raya. Dari semua penghargaan yang pernah diterimanya, Day pernah dianugerahi Grammy Lifetime Achievement Award dan Legend Award dari Society of Singers. Tahun 1960, ia mendapat nominasi Academy Award for Best Actress.[5] Tahun 1989, ia dianugerahi Cecil B. DeMille Award atas prestasi seumur hidup di dunia perfilman. Tahun 2004, Presiden George W. Bush menganugerahkan Presidential Medal of Freedom kepada Doris Day, lalu menerima Los Angeles Film Critics Association's Career Achievement Award pada tahun 2011. Ia merupakan salah satu tokoh Masa Keemasan Hollywood yang hidup sampai abad ke-21.