Parallèlement à ses études secondaires, Doug Liman suit les cours de l'International Center of Photography, puis entre à la Brown University de Providence (Rhode Island), où il collabore à la création d'une station de télévision à péage.
Réalisateur de courts métrages dès l'âge de sept ans, Doug Liman poursuit cette activité au lycée avant de s'inscrire à l'Ecole de Cinéma et de Télévision de l'USC. C'est là qu'il signe en 1994 son premier long métrage : la comédie à suspense Getting in, interprétée par Stephen Mailer, Matthew Perry, Andrew McCarthy et Christine Baranski.
Doug Liman connaît son premier succès critique en 1996 avec Swingers, qu'il produit et réalise. Cette comédie, qui réunit notamment les comédiens Jon Favreau et Vince Vaughn, évoque les aventures de quatre dragueurs à la recherche du grand amour dans les bars rétro de Los Angeles. Doug Liman dirige ensuite Sarah Polley, Katie Holmes et Taye Diggs dans Go (1999), une comédie qui sera présentée en avant-première au Festival de Sundance.
En 2001, il change de registre et met en scène La Mémoire dans la peau, un thriller d'action dans lequel Matt Damon recherche sa véritable identité. Devant son succès, le film devient une franchise avec deux autres opus: La Mort dans la peau et La Vengeance dans la peau qu'il co-produit. Avec Mr and Mrs Smith, mélant action et comédie, il met en scène un couple las de leur quotidien, ignorant tous les deux leurs activités criminelles respectives.
Doug Liman revient à la réalisation en 2007 avec Jumper dans lequel Hayden Christensen, dotée du pouvoir de se téléporter, est traquée sans relâche par Samuel L. Jackson.
Il revient dans le monde de l'espionnage en adaptant l'histoire vraie de Valeria Plame, agent de la CIA incarnée par Naomi Watts dans son Fair Game, présenté en compétition au Festival de Cannes de 2010.
