Karin Dor estudió actuación y ballet en la escuela y comenzó en el cine como extra. La atractiva pelirroja causó una impresión indeleble en el director austriaco Harald Reinl y esto le abrió el camino a papeles de mayor perfil. Su primera aparición destacada fue en el melodrama de Reinl Der schweigende Engel (1954). Karin posteriormente compartió el primer crédito en un drama escolar sobre estudiantes de bachillerato descarriados, Ihre große Prüfung (1954). Durante el segmento inicial de su carrera interpretó a chicas buenas, principalmente ingenuas de ojos grandes, víctimas inocentes y diversos juveniles naif en dramas de guerra y de época (Solange du lebst (1955)), Heimatfilms (Almenrausch und Edelweiß (1957)) y operetas (Im weissen Rössl (1960)).

Hacia 1960, una Karin más glamorosa, ágil y sensual había ascendido a papeles más jugosos como heroínas en las películas de Edgar Wallace (comenzando con Der grüne Bogenschütze (1961)) y una serie de westerns europeos de Karl May, invariablemente dirigidos por Reinl y coprotagonizados por el actor de Tarzán Lex Barker (una combinación que resultó igualmente exitosa para otras franquicias de crimen/ciencia ficción, incluida Die unsichtbaren Krallen des Dr. Mabuse (1962)). Muchas de estas películas tuvieron solo un estreno limitado y rara vez se exhibieron fuera de Alemania.

Karin logró por fin romper su encasillamiento interpretando a una asesina en serie patológica armada con una navaja de afeitar en otra incursión de Wallace/Reinl, Zimmer 13 (1964), y —para un cambio total de ritmo— interpretó a Brunhilde en una filmación en dos partes de la épica 'Die Nibelungen' (también dirigida por Reinl). Con su atractivo internacional ahora en expansión, apareció en The Face of Fu Manchu (1965), una coproducción británico-alemana occidental, como la hija de un científico amenazada por el villano titular. A continuación vino, posiblemente, su papel internacional más conocido como una temprana 'chica Bond', Helga Brandt (alias Número Once), una operativa de SPECTRE cuyo fracaso en eliminar a J.B. resulta en que sea arrojada a una piscina infestada de pirañas por el supervillano Blofeld (Donald Pleasence) en You Only Live Twice (1967). Luego fue contratada por Alfred Hitchcock para el papel de la líder de la resistencia cubana Juanita de Cordoba en Topaz (1969), en la que su personaje tuvo un final igualmente pegajoso. La carrera de Karin nunca se recuperó del todo de esta rara aberración de taquilla del director. El crítico de The Times y especialista en Hitchcock John Russell Taylor describió la película como "generalmente plana, sin distinción y carente de cualquier signo de interés o involucramiento positivo por parte de él (Hitchcock)". A raíz de Topaz, las apariciones en pantalla de Karin se volvieron infrecuentes, excepto por un par de apariciones como invitada en programas de crimen estadounidenses, seguidas por un intento de regreso al cine sin éxito en el incongruente thriller Warhead (1977). Posteriormente fue vista en la televisión alemana en varios episodios de Rosamunde Pilcher (1993).