Dolores Costello und ihre Schwester Helene Costello waren die Töchter des damals bekannten Bühnenschauspielers Maurice Costello, der selber eine erfolgreiche Karriere beim Film hatte. Dolores gab ihr Leinwanddebüt 1909 zusammen mit ihrem Vater und ihrer Schwester Helene und spielte in der Folgezeit in etlichen Produktionen. 1924 feierte sie mit ihrer Schwester Helene einen großen Erfolg in einer gemeinsamen Tanznummer in George White Scandals of 1924. Der Erfolg brachte den Schwestern jeweils Verträge mit der Gesellschaft Warner Brothers und den Umzug nach Hollywood ein. Den Durchbruch zum Filmstar hatte Dolores Costello 1926, als John Barrymore sie als Leading Lady für The Sea Beast, eine Adaption des Romans Moby Dick, engagierte. Im selben Jahr wurde sie zu einem der WAMPAS Baby Stars ernannt.
Dolores Costello wurde dank des Erfolges der größte weibliche Star des Studios und schaffte den Wechsel zum Tonfilm ohne größere Probleme. Nachdem sie John Barrymore 1928 geheiratet hatte, zog sie sich 1931 von der Leinwand zurück, um sich um die gemeinsamen Kinder zu kümmern. Nach der Scheidung 1935 kehrte sie in Mutterrollen zurück, darunter in der Verfilmung des Klassikers Little Lord Fauntleroy von David O. Selznick. Ihre heute noch bekannteste Rolle übernahm sie 1942 in Orson WellesDer Glanz des Hauses Amberson. 1943 beendete Dolores ihre Filmkarriere und zog sich auf ihre Avocadofarm in Südkalifornien zurück.
Dolores Costello hatte mit John Barrymore die beiden Kinder Dolores Ethel Mae Barrymore und John Drew Barrymore, über den sie die Großmutter von Drew Barrymore und John Blyth Barrymore wurde.
Dolores Costello hat einen Stern in Hollywood auf dem Walk of Fame (1645 Vine Street).