Родилась 12 сентября 1933 г. в Ленинграде (ныне Санкт-Петербург). Во время Великой Отечественной войны вместе с матерью и старшей сестрой находилась в эвакуации в г. Данилов (Ярославская область).
В 1956 г. Татьяна Доронина окончила Школу-студию им. Вл. И. Немировича-Данченко при Московском художественном академическом театре (МХАТ) СССР им. М. Горького (ныне Школа-студия, институт, им. Вл. И. Немировича-Данченко при МХАТ им. А. П. Чехова). Училась на курсе Павла Массальского.
В 1956 г. была распределена в Сталинградский областной драматический театр им. М. Горького (впоследствии Волгоградский областной драматический театр им. М. Горького, закрыт в 1989 г.), однако в конце года была принята в Ленинградский государственный театр им. Ленинского комсомола (ныне Театр-фестиваль "Балтийский дом", Санкт-Петербург). Была задействована в постановках "Фабричная девчонка" по пьесе Александра Володина, "Город на заре" по произведению Алексея Арбузова, "Маленькая студентка" по пьесе Николая Погодина и "Обломов" по роману Ивана Гончарова.
В 1959-1966 гг. служила в Ленинградском академическом Большом драматическом театре им. М. Горького (ныне Российский государственный академический Большой драматический театр им. Г. А. Товстоногова, Санкт-Петербург). Исполняла роли в спектаклях: "Варвары" по пьесе Максима Горького, "Иркутская история" по произведению Алексея Арбузова, "Горе от ума" по комедии Александра Грибоедова, "Поднятая целина" по роману Михаила Шолохова, "Три сестры" по пьесе Антона Чехова, "Идиот" по роману Федора Достоевского и др.
В 1966-1972 гг., 1983-1987 гг. - актриса МХАТ им. М. Горького. Была задействована в постановках: "На дне" по пьесе Максима Горького, "Три сестры" по произведению Антона Чехова, "Братья Карамазовы" по роману Федора Достоевского, "На всякого мудреца довольно простоты" по комедии Александра Островского, "Скамейка" по пьесе Александра Гельмана и др.
В 1972-1983 гг. - актриса Московского академического театра им. Вл. Маяковского. Исполняла роли в спектаклях: "Человек из Ламанчи" по сценарию Дейла Вассермана, "Банкрот, или Свои люди - сочтемся" по пьесе Александра Островского, "Да здравствует королева, виват!" по произведению Роберта Болта, "Она в отсутствии любви и смерти" и "Беседы с Сократом" по пьесам Эдварда Радзинского, "Кошка на раскаленной крыше" по произведению Теннесси Уильямса, "Чайка" по пьесе Антона Чехова и др.
С июля 1987 г. (после разделения МХАТа) до 2018 г. - художественный руководитель и актриса МХАТ им. М. Горького. В течение этих лет поставила более двадцати спектаклей. В их числе: "На дне" по произведению Максима Горького, "Три сестры" по пьесе Антона Чехова, "Зойкина квартира" и "Белая гвардия" по произведениям Михаила Булгакова, "Лес", "Доходное место", "Без вины виноватые" по пьесам Александра Островского, "Униженные и оскорбленные" по роману Федора Достоевского, "Прощание в июне" по пьесе Александра Вампилова, "Так и будет" по пьесе Константина Симонова, "Как боги…" по произведению Юрия Полякова, "Пигмалион" по комедии Бернарда Шоу и др.
Также исполняла роли в спектаклях: "Вишневый сад" по пьесе Антона Чехова, "Старая актриса на роль жены Достоевского" по драме Эдварда Радзинского, "Пророк" по произведениям Александра Пушкина, "Макбет" по трагедии Уильяма Шекспира, "Лес" и "Без вины виноватые" по пьесам Александра Островского, "Васса Железнова" и "Зыковы" по произведениям Максима Горького и др.
С 2018 г. - президент МХАТ им. М. Горького.
Татьяна Доронина широко известна в качестве киноактрисы. Дебютной для нее стала роль девушки Зои в мелодраме Михаила Калатозова "Первый эшелон" (1955). Среди наиболее известных работ: Надя в мелодраме "Старшая сестра" (1966, режиссер Георгий Натансон), Нюра в фильме "Три тополя на Плющихе" (1967, Татьяна Лиознова), бортпроводница Наташа Александрова в мелодраме "Еще раз про любовь" (1968, Георгий Натансон), Шура Олеванцева в драме "Мачеха" (1973, Олег Бондарёв) и др. В общей сложности снялась в 15 художественных фильмах.
Также играла в телеспектаклях "Очарованный странник" (1963), "Обещание счастья" (1965), "Двадцать лет спустя" (1971), "Бесприданница" (1974), "Живи и помни" (1987) и др.
Член Союза кинематографистов РФ, Союза писателей России.
Входит в состав общественного совета при Следственном комитете РФ.
Народная артистка СССР (1981).
Полный кавалер ордена "За заслуги перед Отечеством" (I степень - 2019, II степень - 2013, III степень - 2003, IV степень - 1998). Также награждена орденами Дружбы народов (1994), Почета (2008), "За заслуги в культуре и искусстве" (2023). Удостоена премии мэрии Москвы в области литературы и искусства (2003).
В 2013 г. Татьяне Дорониной было присвоено звание почетного гражданина г. Данилов.
В 1970 г. стала лауреатом Всесоюзного кинофестиваля в Минске (Белорусская ССР, ныне Белоруссия; за роль в фильме "Три тополя на Плющихе"), в 1973 г. - Международного кинфестиваля в Тегеране (Иран; за роль в фильме "Мачеха").
В 2011 г. была удостоена Царскосельской художественной премии, в 2013 г. - театральной премии "Золотая маска" в почетной номинации "За выдающийся вклад в развитие театрального искусства".
Автор книги "Дневник актрисы" (1998).