Az első nő volt, aki léghajóból végzett csillagászati megfigyeléseket.

San Franciscoban született hétgyerekes családban, német apját az aranyláz hozta Kaliforniába. 1877-től Párizsban éltek. A lányok mind nagy karriert futottak be: Anna Elizabeth Klumpke festőművész lett, Julia Klumpke hegedűművész és zeneszerző, Mathilda Klumpke zongorista, Augusta pedig neurológus orvos, férjével klinika alapítója.  

Dorothea 1886-ban diplomázott a Sorbonne-on és a párizsi obszervatóriumban kezdett dolgozni. A Szaturnusz gyűrűiről készített doktori értekezését 1893-ban védte meg. Szakmai munkája mellett cikkeket írt és előadásokat tartott, melyekben a nőknek a tudományos életbe való bekapcsolódását propagálta. Tudományos tevékenységét nemzetközi téren is rangos kitüntetésekkel ismerték el. 1889-ben az első volt, aki a francia csillagászati egyesülettől megkapta a Prix de Dames díjat. A 339 Dorothea és az 1040 Klumpkea kisbolygók viselik a nevét. 

Róla és szintén csillagász férjéről nevezték el a hagyatékukból alapított, nagy presztízsű Klumpke-Roberts-díjat, amelyet minden évben egy ígéretes tudós vagy író kap meg.  Például 1975-ben Isaac Asimov, 1983-ban Helen Sawyer Hogg kapta.