Nata ultima di sette fratelli, entrò a far parte dei The Cranberry Saw Us (poi The Cranberries) nel 1990.

Il 18 luglio 1994 sposò il tour manager dei Duran Duran, Don Burton.

La band pubblicò quattro albums, Uncertain EP (1991), Everybody Else Is Doing It, So Why Can't We? (1993), No Need to Argue (1994), e To the Faithful Departed (1996) prima della nascita del suo primo figlio Taylor Baxter Burton il 23 novembre 1997. Dopo il tour che seguì il nuovo album Bury the Hatchet (1999) Dolores poté festeggiare la nascita di una figlia, Molly Burton, il 27 gennaio 2001, data che coincideva anche con il compleanno del marito Don.

Dopo altre due pubblicazioni, Wake Up and Smell the Coffee e il loro "greatest hits" Stars - The Best of 1992 - 2002, i componenti della band si separarono, senza molto clamore e senza dichiarare ufficialmente lo scioglimento, nel 2003.

O'Riordan doveva comparire nella colonna sonora di Spider-Man 2 con la sua canzone solista "Black Widow", ma la canzone fu poi tagliata; il 10 aprile 2005, le è nata una seconda figlia, Dakota Rain Burton. È poi comparsa nell'album Zu & Co. (2004), con la canzone "Pure Love". Inoltre ha recitato in un cameo nel film di Adam Sandler Cambia la tua vita con un click, uscito il 23 giugno 2006, interpretando se stessa e cantando il suo hit "Linger".

Il suo primo album da solista, intitolato Are you listening?, è stato pubblicato il 4 maggio 2007, preceduto dal singolo Ordinary day che è possibile ascoltare in radio dal 16 marzo; all'album ha partecipato come batterista l'ex bassista dei Therapy?, Graham Hopkins, e in un'intervista radiofonica del 15 marzo ha descritto le tracce come più sperimentali ed elettroniche delle sue precedenti.