Klaus Doldinger wurde am 12. Mai 1936 in Berlin geboren. Bereits als Schüler besuchte er ab 1947 das Robert-Schumann-Konservatorium in Düsseldorf, wo er zunächst Klavier und ab 1952 Klarinette studierte. Während dieser Zeit trat er 1953 mit der von Freunden gegründeten Dixie-Band "The Feetwarmers" auf, mit der er 1955 auch eine Schallplatte aufnahm. Ebenfalls 1955 gründete Doldinger seine eigene Band "Oscar’s Trio", deren Name eine Referenz an sein großes Vorbild Oscar Peterson war. Beim Brüsseler Jazzfestival 1955 erhielt die Band den Hauptpreis "Coup Sidney Bechet".

Nach dem Abitur und dem Abschluss des Konservatoriums im Jahr 1957 studierte Doldinger Musikwissenschaften und Tontechnik. 1960 ging er in den USA auf Jazz-Tournee und stand mit einer Reihe prominenter Musiker auf der Bühne. 1962 gründete er das KlausDoldingerQuartett, mit dem er im Jahr darauf seine erste Platte veröffentlichte ("Doldinger – Jazz Made in Germany"). Im Lauf der Jahre folgten weitere Studio- und Live-Alben. Unter dem Pseudonym Paul Nero veröffentlichte er in den 1960er-Jahren auch Tanz- und Rockmusik.

Neben der Tätigkeit als Jazzmusiker und Bandleader erhielt Klaus Doldinger ab 1964 zahlreiche Kompositionsaufträge aus der Industrie, der Werbebranche (z.B. "Pril") sowie aus den Bereichen Theater, Kino und Fernsehen.

1966 entstand mit dem Soundtrack zu Will Trempers "Playgirl" Doldingers erste Kinomusik, 1968 folgte Klaus Lemkes "Negresco **** - Eine tödliche Affäre", 1969 Volker Schlöndorffs "Baal".

1970 schrieb Doldinger die Titelmelodie für die TV-Krimireihe "Tatort" – eine Komposition, die bald Kult- und Klassikerstatus erreichte und bis heute untrennbar mit der Reihe verbunden ist. Ebenfalls 1970 gründete er die Gruppe "Passport", mit der er im folgenden Jahr das erste von 28 Alben veröffentlichte (beim ersten Album saß Udo Lindenberg am Schlagzeug). 1976 wurde "Passport" mit dem Deutschen Schallplattenpreis in der Kategorie Gruppe Pop National ausgezeichnet.

Ab den 1970er Jahren komponiert Doldinger immer häufiger für Kino und Fernsehen, wobei er mit prominenten Regisseur*innen wie Volker Schlöndorff ("Der plötzliche Reichtum der armen Leute von Kombach", 1971), Margarethe von Trotta ("Das zweite Erwachen der Christa Klages", 1977), Hark Bohm ("Moritz, lieber Moritz", 1978), Reinhard Hauff ("Der Hauptdarsteller", 1980) und Peter Zadek ("Die wilden Fünfziger", 1983) arbeitete. 

Eine wiederholte Zusammenarbeit verband Doldinger mit Wolfgang Petersen, für den er zunächst die Soundtracks zu "Einer von uns beiden" (1973), "Vier gegen die Bank" (1976, TV) und "Schwarz und weiß wie Tage und Nächte" (1978) komponierte. 

Die Filmmusik zu Petersens überaus erfolgreichem und sechsfach Oscar®-nominiertem Kriegsfilm "Das Boot" (1981) machte Doldinger weltweit bekannt und brachte ihm einen weiteren Deutschen Schallplattenpreis ein. Danach komponierte er für Petersen noch die Musik zu dem Fantasyfilm "Die unendliche Geschichte" (1984). Weitere bekannte Kinoarbeiten waren Doris Dörries Komödie "Ich und Er" (1988), die Bestseller-Verfilmung "Salz auf unserer Haut" (1992) und Volker Schlöndorffs Neo-Noir "Palmetto" (US/DE 1998). 

Fürs Fernsehen komponierte Doldinger unter anderem die Titelmelodien der Serien "Ein Fall für zwei" (1981-2010) und "Liebling Kreuzberg" (1986) sowie die Soundtracks zu zahlreichen Fernsehfilmen und Serienfolgen. Insgesamt umfasst seine Filmografie über 200 Titel. Zu seinen letzten Arbeiten gehören Lancelot von Nasos TV-Adaption von "Das doppelte Lottchen" (2017) und die Stuttgarter "Tatort"-Folge "Der Mann, der lügt" (2018).

Im Lauf seiner Karriere wurde Klaus Doldinger, der seit 1968 in Icking bei München lebte und Ehrenbürger von New Orleans (USA) war, mit zahlreichen Auszeichnungen geehrt. So erhielt er 1978 das Bundesverdienstkreuz und 2002 das Verdienstkreuz 1. Klasse, 1996 den Echo für sein Lebenswerk, 1999 den Paul-Lincke-Ring, 1997 den Ehrenpreis des Bayerischen Filmpreises und 2005 eine besondere Ehrung im Rahmen des Grimme-Preises. 2007 wurde er mit dem Bayerischen Verdienstorden und 2010 beim Bayerischen Fernsehpreis mit dem Ehrenpreis des Bayerischen Ministerpräsidenten geehrt.

Weitere Auszeichnungen waren der Ehrenpreis beim Deutschen Filmmusikpreis (2016), der Echo Jazz für sein Lebenswerk (2017), der Deutsche Musikautorenpreis (2018), der Ehrenpreis der Deutsche Akademie für Fernsehen (2022) und der Bayerische Maximiliansorden für Wissenschaft und Kunst (2023).

Doldinger veröffentlichte mehr als 50 Tonträger, schrieb rund 2000 Stücke und stand über 4000 Mal auf Bühnen in rund 50 Ländern. 2022 erschien seine Autobiografie "Made in Germany – Mein Leben für die Musik".

Am 16. Oktober 2025 starb Klaus Doldinger im Alter von 89 Jahren in Icking.