Доротея Михайловна Шемякина родилась 9 мая 1964 года в Ленинграде, в семье художников Михаила Шемякина и Ребекки Модлен. Художественное образование получила у родителей, которые помогали дочери с раннего детства проявить дар рисовальщика. По их словам, первый рисунок Доротея сделала в двухлетнем возрасте. В 1968 году, когда художнице было четыре года, она участвовала в международной выставке детского рисунка в Русском музее (Ленинград). Здесь не обошлось без казуса: устроители выставки были настолько восхищены работами девочки, что первоначально предполагали отвести для них целый зал, сделав своего рода "выставку в выставке", однако партийная комиссия, прибывшая осматривать уже подготовленную экспозицию, усмотрела в рисунках Доротеи "детский формализм". В результате работы были сняты и Доротея участвовала в выставке лишь одной или двумя из них в витрине, пишет журнал Vita Nova.
Семья жила в коммуналке на Загородном проспекте, 64, на шестом этаже, с прекрасным видом из окна. Из детских впечатлений Доротее особенно запомнились частые походы в музеи с родителями, прогулки по городу с мамой. "Странно, я выехала оттуда в семь лет, но Питер до сих пор у меня в сердце", - вспоминала Доротея.
Летом 1971 года девочка с матерью эмигрировали, спустя пять месяцев к ним присоединился выдворенный из СССР Михаил Шемякин. В 1976 году Доротея была самой молодой участницей представительной выставки современного русского искусства ("La peinture russe contemporaine") во Дворце конгрессов в Париже, организованной А. Глезером и М. Шемякиным. Выставка включала в себя 502 работы русских независимых художников; Доротея выставила тогда 19 своих работ.
Первая персональная выставка Доротеи Шемякиной открылась в 1980 году в галерее Нахамкина (Нью-Йорк) за день до шестнадцатилетия художницы. Пятьдесят композиций, представленных на выставке, были раскуплены в первые пять дней.Работы художницы, по манере разительно отличающиеся от работ ее отца, удостаивались лестных отзывов известных критиков и искусствоведов. Молодая художница заставила судить о ней уже не как о рисовальщице-вундеркинде, а как о сложившемся мастере с уникальным художественным миром. Отличительной чертой ее работ становятся подчеркнутая телесность, гипертрофированность органических форм, напряженная пластическая деформация узнаваемых образов в сочетании с фантасмагорической, остро экспрессивной трактовкой сюжета. Главными темами становятся фантомы мегаполиса, органические монстры техногенной эры. Художница словно пытается посмотреть на наш мир за пределом времен, сквозь искажающую призму грядущей катастрофы, запечатлеть плоть мира — либо разъятую, либо преображенную вечностью.
Несколько раз художница обращалась к книжной графике. В 1993 году в Италии вышло коллекционное издание "Tauromachie", в 2001 году в Нью-Йорке был выпущен сборник рассказов Юрия Мамлеева "Голос из ничто". Жутковато иронические, гиперреалистические сцены коммунального быта в иллюстрациях к рассказам Мамлеева один из критиков сравнил с беспощадным гротеском позднего Гойи. В 2000 году в Афинах вышла книга для детей "Страна, где не общипывали ромашки" греческой писательницы Олимпии Орсаниду-Коретси. "Голем" Густава Майринка — четвертая работа Шемякиной в жанре оформления книги.
Отдельные иллюстрации художница делала для парижского журнала "Эхо", среди других художников иллюстрировала книгу югославского писателя-диссидента Йоко Йовичича "Drape de son histoire" (Paris, 1988).
Параллельно с живописью и графикой Доротея Шемякина время от времени обращалась к прикладному искусству. На второй персональной выставке в галерее Академии Спенсертауна (штат Нью-Йорк) она представила оригинальные ювелирные украшения. В начале 2000-х годов по заказу двух престижных ювелирных магазинов в Афинах разрабатывала дизайн пасхальных яиц.
В 1983 году Доротея Шемякина переехала в Грецию (первое время они вместе с матерью жили на острове Идра), позже она жила в Афинах. Именно в Греции в ее работах появился цвет: до этого была только монохромная графика и живопись — белыми красками на черном фоне. Именно в Греции неожиданно для всех Доротея освоила ремесло… каменщика и стала строить дома, что воспринималось друзьями в лучшем случае как причуда талантливой художницы. Очевидно, на этом выборе, кроме нежелания следовать жизненным стереотипам, сказалось и "наследственное упрямство" (характеристика М. Шемякина).
У Доротеи Шемякиной состоялось пять персональных выставок, а также она приняла участие также более чем в двадцати групповых выставках, нередко — в творческом альянсе с отцом.
Последние несколько лет художница жила во Франции.