Vyrůstala ve Worcesteru v Massachusetts (Narodila se v Hampdenu v Maine), pak v domě své bohaté babičky v Bostonu. Snažila se najít kariéru v tradičních ženských povoláních: učitelka, vychovatelka, spisovatelka. Žádné z těchto zaměstnání neuspokojilo její ambice a ve svých pětatřiceti letech utrpěla vysilující zhroucení. V naději na vyléčení odcestovala v roce 1836 do Anglie, kde měla to štěstí, že se setkala s rodinou Rathbonových, kteří ji pozvali, aby strávila rok jako jejich host v Greenbank, jejich rodném sídle v Liverpoolu. Rathbonovi byli kvakeři a významní sociální reformátoři a v Greenbank se Dix setkávala s muži a ženami, kteří věřili, že vláda by měla hrát přímou, aktivní roli v sociální péči. Byla také vystavena britskému hnutí za reformu šílenství, jehož metody zahrnovaly podrobné vyšetřování blázinců a ústavů, jehož výsledky byly zveřejněny ve zprávách pro britskou Dolní sněmovnu.
Poté, co se v letech 1840-41 vrátila do Ameriky, provedla Dixová celostátní šetření o tom, jak se její domovský stát Massachusetts stará o choromyslné chudáky. Výsledky publikovala v ohnivém pamfletu, Památníku, určeném státnímu zákonodárnému sboru. „Přistupuji k tomu, pánové, abych vás stručně upozornila na současný stav duševně chorých osob uzavřených v rámci tohoto Společenství, v klecích, kabinkách, kotcích! Spoutaných, nahých, zbitých tyčemi a svázaných k poslušnosti.“ Výsledkem jejího lobbingu byl návrh zákona o rozšíření státní psychiatrické léčebny.
Od té doby Dix cestoval z New Hampshire do Louisiany, dokumentoval stav chudinských šílenců, publikoval památníky státním zákonodárným sborům a věnoval obrovskou osobní energii práci s výbory, které připravovaly návrhy zákonů potřebných k vybudování ústavů. V roce 1848 Dorothea Dixová navštívila Severní Karolínu a vyzvala k reformě v péči o duševně nemocné pacienty. V roce 1849, kdy byla založena Státní lékařská společnost Severní Karolíny, byla schválena výstavba ústavu v hlavním městě Raleigh pro péči o duševně nemocné pacienty. Nemocnice, pojmenovaná na počest Dorothey Dixové, byla otevřena v roce 1856. Byla nápomocná při založení první veřejné psychiatrické nemocnice v Pensylvánii, státní nemocnice Harrisburg, a později při založení její knihovny a čítárny v roce 1853.
Vrcholem její práce byla legislativa, která vyčlenila 10 000 000 akrů federální půdy, přičemž výnosy z jejího prodeje byly rozděleny mezi státy na výstavbu a udržování azylů. Dixův zákon o půdě prošel oběma komorami kongresu, ale v roce 1854 ho prezident Franklin Pierce vetoval s argumentem, že federální vláda by se neměla zapojovat do sociální péče. Překvapená porážkou svého zákona o půdě, v letech 1854 a 1855 Dix cestovala do Anglie a Evropy, kde se znovu spojila s Rathbones a vedla vyšetřování skotských blázinců, které uspíšilo Skotskou komisi pro šílenství.
Během americké občanské války byla Dixová jmenována superintendantkou armádních sester. Vlastnosti, které z ní dělaly úspěšnou křižáckou bojovnici – nezávislost, cílevědomá horlivost – se bohužel nehodily k řízení velké organizace sester. Postupně se zbavovala skutečné odpovědnosti a tuto kapitolu své kariéry bude považovat za neúspěch. Nicméně vyrovnaná péče o raněné z Unie i Konfederace, která ji radikálním republikánům nemusela zalíbit, jí na jihu zajišťovala paměť.
Její ošetřovatelky poskytovaly raněným z Konfederace často jedinou péči, která byla v terénu k dispozici. „Chirurg, který měl na starosti náš tábor… se staral o všechna jejich zranění, která byla často ve velmi šokujícím stavu, zejména mezi rebely. Každý večer a ráno byli oblečeni.“ – Georgeanna Woolsey, Dixova ošetřovatelka. „Mnozí z nich byli rebelové. Nemohla jsem je minout opomíjenými. Ačkoli byli nepřátelé, byli nicméně bezmocnými, trpícími lidskými bytostmi.“ – Julia Susan Wheelock, Dixova ošetřovatelka. Přes 5000 raněných z Konfederace zůstalo na místě, když Robert E. Lee ustoupil z Gettysburgu, o které se pak staraly Dixovy ošetřovatelky, jako Cornelia Hancocková, která psala o tom, co viděla. „V anglickém jazyce nejsou slova, která by vyjadřovala utrpení, jehož jsem byla dnes svědkem…“
Poslední roky života strávila Dorothea Dixová jako host ve státní nemocnici v New Jersey v Trentonu.