Татьяна Доронина родилась 12 сентября 1933 года в Ленинграде (ныне — Санкт-Петербург). Её отец, Василий Иванович Доронин (ум. 1982), происходил из рода староверов, а у матери, Анны Ивановны Дорониной, отец служил старостой деревенской церкви. Родители были родом из Ярославской области, из крестьянских семей. В восьмом классе средней школы, в мае 1950 года, Татьяна записалась на прослушивание в Школу-студию МХАТ в трёх первых турах (аттестат об образовании для этого не требовался), которые проводились в Ленинграде прославленными столичными артистами, ездившими по городам с целью поиска талантливых абитуриентов. Во главе экзаменационной комиссии был народный артист РСФСР Павел Владимирович Массальский. Все три тура Татьяна успешно прошла. Но оказалось, что для москвичей для поступления в Школу-студию МХАТ было достаточно пройти три тура, а ленинградцам необходимо было ехать в Москву, предъявить там приёмной комиссии аттестат об образовании и пройти четвёртый тур. Татьяна с Мариной Поповой, также прошедшей третий тур, отправились в столицу, где им заново предстояло пройти три тура, третий прошла только Татьяна. Но, узнав об отсутствии у Дорониной аттестата, ректор Школы-студии МХАТ Вениамин Захарович Радомысленский, не дал согласия на её обучение и посоветовал прийти через два года сразу на второй тур. Татьяне пришлось продолжить обучение в ленинградской средней школе, после окончания которой в 1952 году она снова поехала в Москву, где благополучно выдержала вступительные экзамены сразу в нескольких театральных вузах, но выбрала всё ту же Школу-студию МХАТ. В 1956 году окончила Школу-студию МХАТ в Москве (руководитель курса — Павел Владимирович Массальский). Училась на одном курсе с Е. А. Евстигнеевым, М. М. Козаковым, О. В. Басилашвили, В. Н. Сергачёвым. Мастерство актёра на этом курсе преподавал Борис Ильич Вершилов. В связи с 50-летием Школы-студии МХАТ в 1993 году она вспоминала: В 1959 году главный режиссёр Большого драматического театра имени Максима Горького Г. А. Товстоногов, готовясь к постановке пьесы Максима Горького «Варвары», не нашёл в своей труппе оптимальной исполнительницы на роль Надежды Монаховой и пригласил в театр Татьяну Доронину вместе с Олегом Басилашвили. В 1966 году актриса покинула театр (причиной стал переезд в Москву, связанный с новым замужеством). В том же году была принята в труппу МХАТа СССР им. М. Горького, на сцене которого выступала до 1972 года. Театр в послевоенные годы переживал кризис — возглавивший его осенью 1970 года О. Н. Ефремов столкнулся с проблемами, которые многим казались неразрешимыми, и актриса, сыграв заглавную роль в дебютном спектакле О. Н. Ефремова «Дульсинея Тобосская», в 1972 году перешла в Театр имени В. В. Маяковского, где плодотворно сотрудничала с А. А. Гончаровым. В 1983 году, по приглашению О. Н. Ефремова, вернулась во МХАТ. В 1981—1987 годах играла в спектаклях Московского драматического театра «Сфера». С 26 января 2019 года, сыграв главную роль в спектакле «Васса Железнова» по случаю 15-летнего юбилея постановки, Татьяна Доронина во МХАТе им. М. Горького не появляется. Написала книгу «Дневник актрисы» (1998 год) о том, что значит для неё театр: «не хочется писать о настоящем, пишу о театральной юности». Член Союза писателей России. Входит в состав Общественного совета при Следственном комитете Российской Федерации.