Karin Dor estudou atuação e balé na escola e começou no cinema como figurante. A atraente ruiva causou uma impressão indelével no diretor austríaco Harald Reinl e isso abriu caminho para papéis de maior destaque. Sua primeira aparição significativa foi no melodrama Der schweigende Engel (1954), de Reinl. Karin posteriormente dividiu o topo do cartaz em um drama escolar sobre estudantes reprovados, Ihre große Prüfung (1954). Durante o segmento inicial de sua carreira, ela interpretou garotas boazinhas, principalmente ingênuas de olhos arregalados, vítimas inocentes e juvenis ingênuas em dramas de guerra e de época (Solange du lebst (1955)), Heimatfilms (Almenrausch und Edelweiß (1957)) e operetas (Im weissen Rössl (1960)).

Por volta de 1960, uma Karin mais glamorosa, ágil e sensual havia ascendido a papéis mais suculentos como heroínas em filmes policiais de Edgar Wallace (começando com Der grüne Bogenschütze (1961)) e uma série de faroestes europeus de Karl May, invariavelmente dirigidos por Reinl e coestrelados pelo ator de Tarzan Lex Barker (uma combinação que se mostrou igualmente bem-sucedida para outras franquias policiais/de ficção científica, incluindo Die unsichtbaren Krallen des Dr. Mabuse (1962)). Muitos desses filmes tiveram lançamento limitado e raramente foram exibidos fora da Alemanha.

Karin conseguiu finalmente quebrar sua estereotipagem ao interpretar uma assassina em série patológica empunhando uma navalha em outra produção Wallace/Reinl, Zimmer 13 (1964), e — para uma mudança total de ritmo — interpretou Brunhilde em uma filmagem em duas partes da épica 'Die Nibelungen' (também dirigida por Reinl). Com seu apelo internacional agora se ampliando, ela apareceu em The Face of Fu Manchu (1965), uma coprodução britânico-alemã ocidental, como a filha de um cientista ameaçada pelo vilão titular. A seguir veio, indiscutivelmente, seu papel internacional mais conhecido como uma das primeiras 'Bond girls', Helga Brandt (também conhecida como Número Onze), uma operativa da SPECTRE cuja falha em eliminar J.B. resulta em ela ser jogada em uma piscina infestada de piranhas pelo supervilão Blofeld (Donald Pleasence) em You Only Live Twice (1967). Ela foi então contratada por Alfred Hitchcock para o papel da líder da resistência cubana Juanita de Cordoba em Topaz (1969), no qual sua personagem teve um fim igualmente pegajoso. A carreira de Karin nunca se recuperou totalmente dessa rara aberração de bilheteria do diretor. O crítico do British Times e especialista em Hitchcock John Russell Taylor descreveu o filme como "geralmente plano, sem distinção e sem qualquer sinal de interesse positivo ou envolvimento por parte dele (Hitchcock)". Na esteira de Topaz, as aparições de Karin na tela tornaram-se infrequentes, exceto por algumas participações especiais em séries policiais americanas, seguidas por uma tentativa malsucedida de retorno ao cinema no incongruente thriller Warhead (1977). Ela foi vista posteriormente na televisão alemã em vários episódios de Rosamunde Pilcher (1993).