Kerjaya Day sebagai pelakon filem bermula pada akhir era klasik Hollywood menerusi filem Romance on the High Seas (1948), dan terus berkembang selama 20 tahun. Beliau telah membintangi pelbagai genre filem termasuklah muzikal, komedi, drama dan seram. Antara filem lakonan beliau adalah Calamity Jane (1953) dan The Man Who Knew Too Much (1956) bersama James Stewart. Filem Pillow Talk (1959) disamping Rock Hudson telah melayakkan Day untuk tercalon dalam kategori Pelakon Wanita Terbaik dalam Anugerah Akademi. Beliau turut pernah berlakon bersama James Garner dalam dua buah filem Move Over, Darling (1963) dan The Thrill of It All (1963) selain bersama pelakon lelaki lain termasuklah Clark Gable, Cary Grant, James Cagney, David Niven, Jack Lemmon, Frank Sinatra, Richard Widmark, Kirk Douglas, Lauren Bacall dan Rod Taylor. Setelah mengakhiri kerjaya sebagai pelakon filem, beliau muncul dalam sitkomnya sendiri, The Doris Day Show (1968–1973).

Day telah menjadi salah satu bintang filem terkemuka pada awal 1960-an, dan sehingga 2012, beliau menjadi salahs seorang daripada lapan orang penghibur yang menjadi pecah panggung sebanyak empat kali di A.S.[7][8] Pada tahun 2011, beliau mengeluarkan album studio yang ke-29, My Heart yang memuatkan material baharu dan menjadi album Top 10 UK. Beliau menerima Anugerah Pencapaian Sepanjang Hayat Grammy dan Anugerah Legenda dari Society of Singers. Pada tahun 1960, Day dicalonkan dalam Anugerah Akademi untuk Anugerah Pelakon Wanita Terbaik,[9] dan dianugerahkan Anugerah Cecil B. DeMille untuk pencapaian sepanjang hayat dalam filem pada tahun 1989. Pada tahun 2004, beliau dianugerahkan Pingat Kebebasan Presiden dan pada tahun 2011, Anugerah Pencapaian Kerjaya Persatuan Pengkritik Filem Los Angeles.