Donna Mills asistió a la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign durante un año antes de irse para seguir una carrera como bailarina. Empezó su carrera en teatro y pronto logró participar en una producción itinerante de My Fair Lady, que la llevó a la ciudad de Nueva York. Comenzó su carrera televisiva en 1966 y al año siguiente hizo su debut cinematográfico en The Incident. Luego protagonizó durante tres años la telenovela Love is a Many Splendored Thing (1967-1970), antes de interpretar a Tobie Williams, la novia del personaje de Clint Eastwood en la película de culto de 1971 Obsesión mortal. Mills protagonizó con éxito varias telenovelas y películas para televisión. En 2014, se unió al elenco de la telenovela de larga duración General Hospital, por la que ganó un premio Emmy diurno en 2015 a la mejor actriz invitada especial en una serie dramática. En 2022, podemos verla en la nueva película de terror del director Jordan Peele ¡Nop!.