Doona Bae ist die Tochter einer südkoreanischen Theaterschauspielerin. Trotzdem kam sie eher zufällig dazu, selbst ins Showbusiness einzusteigen. 1998 wurde die damalige Studentin auf der Straße als Model entdeckt. Bereits im Jahr danach wandte sie sich der Schauspielerei zu und debütierte in der Fernsehserie „School“.
Doona Bae spielte in einigen Filmen mit, nahm sich 2003 jedoch eine Pause vom Drehen und begann zu fotografieren. 2004 war sie erstmals in einem Theaterstück zu sehen.
Im japanischen Film „Linda Linda Linda“ blieb sie 2005 als Ausstauschschülerin, die zum Bandmitglied in Erinnerung. 2009 erschien sie als aufblasbare Puppe, die lebendig wird, im japanischen Film „Air Doll“.
Ihr Debüt in englisch-sprachigen Filmen gab Bae 2012 im Sci-Fi-Film „Cloud Atlas“ der Wachowski-Geschwister. Sie arbeitete für „Jupiter Ascending“ und der Netflix-Serie Sense8 erneut mit ihnen zusammen.