Cresciuto a Cleveland, Anthony Doerr ha frequentato la vicina University School, laureandosi nel 1991. Si è poi laureato in storia al Bowdoin College di Brunswick, Maine.

Il primo libro pubblicato da Doerr è stata una raccolta di racconti intitolata Il collezionista di conchiglie (2002; trad.it. 2019). Molte delle storie si svolgono in paesi dell'Africa e della Nuova Zelanda, dove ha vissuto.

Il suo primo romanzo, A proposito di Grace, è uscito nel 2004 (trad.it. 2016). Il libro racconta la storia di David Winkler, meteorologo innamorato dei paesaggi dell’Alaska con il dono di vivere in sogno gli eventi prima che accadano realmente. In una di queste premonizione vede la figlia Grace morire fra le sue braccia. Inizierà così un lungo e tormentato viaggio in cui David cerca di sfuggire al suo destino.

Il secondo romanzo di Doerr, Tutta la luce che non vediamo (2014), è ambientato durante la seconda guerra mondiale nella Francia occupata. Il libro ha riscosso un notevole successo di critica vincendo numerosi premi.

L’ultimo romanzo di Doerr, Cloud Cuckoo Land, è un racconto che segue tre linee narrative, con protagonisti figure sparse nel tempo e nello spazio: la tredicenne Anna e Omeir, una sarta orfana e un ragazzo maledetto, durante l'assedio di Costantinopoli del 1453; l'idealista adolescente Seymour e l'ottantenne Zeno, impiegato in una biblioteca pubblica in Idaho; e infine Konstance, alla guida di una navicella interspaziale che porterà la sua comunità in salvo.