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Elle est connue pour avoir joué la petite amie du personnage de Clint Eastwood dans le film Un frisson dans la nuit (1971) et, à la télévision, pour son rôle d'Abby Fairgate Cunningham Ewing Sumner dans la série Côte Ouest (1979), pendant plus de treize ans.
Donna Mills est la fille de Bernice Miller, une professeur de danse et de Frank Miller, chercheur de marché.
Elle effectue sa scolarité à l'école primaire de Garvy et au Lycée de Taft. Après avoir été doublement promue à Garvey, elle est diplômée de Taft à un âge précoce. Elle fréquente ensuite l'université de l'Illinois à Urbana-Champaign où elle est membre de la sororitéDelta Gamma. Elle suit un an de cours, avant de quitter l'université pour poursuivre une carrière de danseuse, ayant acquis une certaine expérience de la scène lorsqu'elle se produit dans des spectacles d'été.
Le premier rôle d'actrice professionnelle de Donna Mills est dans une production de la pièce Come Blow Your Horn au Drury Lane Theatre de Chicago. Plus tard, elle est choisie pour une production en tournée de la pièce My Fair Lady, ce qui l’amène à New York.
En dehors de son parcours d'actrice, elle a sorti en 1986 The Eyes Have It, une vidéo pédagogique pour réaliser différents looks de maquillage. Elle a ensuite lancé sa propre ligne de cosmétiques du même nom. Elle est aussi apparue sur des images de couverture (non nues) pour les éditions d'octobre 1987 et de novembre 1989 du magazine Playboy.
Jamais mariée, Donna Mills a eu une relation récurrente avec le directeur de la publicité Richard Holland (ex-mari de la chanteuse Chaka Khan) pendant environ 20 ans. En 1994, elle adopte une fille noire, Chloé.
Depuis 2001, elle entretient une relation avec l'acteur Larry Gilman.