Doona Bae nasceu em Seul, na Coreia do Sul. Sua mãe, Hwa-Young Kim, é atriz de teatro. Bae começou como modelo, mas logo migrou para a TV e o cinema, após completar seus estudos na Universidade Hanyang. Seu primeiro filme foi Ling (1999). A atriz também participou da série Sense 8 (2015) e do thriller sul-coreano Stranger (2017).
Cão Que Ladra Não Morde (2000) (também conhecido como "Barking Dogs Never Bite") e Cuide do Meu Gato (2001) fizeram de Doona um nome conhecido na Coréia, e também ganharam aclamação da crítica. Outros destaques em sua carreira são Sympathy for Mr. Vengeance (2002) e Air Doll (2009). Doona Bae continua se dedicando à TV. Além de atriz, Doona Bae também é fotógrafa.