Né à Montluçon, Dormoy est le fils d'un militant socialiste qui fut maire de la ville de 1892 à 1898.

Avant 1914, très jeune, il s'engage dans les Jeunesses socialistes. Puis vient la guerre : mobilisé il semble s'être illustré au combat. À partir de 1919, il devient un dirigeant socialiste – au congrès de Tours, il suit Blum contre la III° Internationale. En 1924, il devient secrétaire de la fédération de l'Allier de la S.F.I.O., puis accède à sa direction nationale. Il se positionne alors comme proche des "néosocialistes", c'est-à-dire de l'aile droite, pro-capitaliste, du Parti.

En 1936, il est sous-secrétaire d’État à la présidence du Conseil, puis ministre de l'Intérieur. Il mène une politique de fermeté envers les étrangers, mettant par exemple les 50 000 espagnols réfugiés en France, en demeure de quitter le territoire. Sa politique est aussi mise en cause lors de la fusillade de Clichy (1937). Il n'hésite pas non plus à combattre l'antisémitisme d'extrême droite ou à s'en prendre à Doriot, qu'il démet de ses fonctions de maire de Saint-Denis.

En juin 1940, Dormoy refuse de voter les pleins pouvoirs à Pétain. En septembre, il est démis de ses fonctions de maire de Montluçon avant d'être mis en résidence surveillée.

Dormoy est assasiné dans la nuit du 25 au 26 juillet 1941. Les commanditaires du crime n'ont pas été identifiés.