Située au pied des collines sous-vosgiennes, la localité s'est établie sur une ancienne voie romaine, dite "Bergstrasse", reliant Wissembourg à Belfort. Habité sous les Mérovingiens, Dorlisheim est cité en 737 dans un acte de donation attribuant le village à l'abbaye de Murbach. D'autres établissments religieux y possèdent des biens, dont le monastère de Sainte-Odile, l'abbaye bénédicitne d'Altorf et les couvents lorrains de Hesse et de Haute-Seille. Cet ancien domaine de la famille d'Eguisheim est transmis au début du à l'évêché de Metz puis à l'évêché de Strasbourg. Morcelés entre plusieurs familles, les droits seigneuriaux sont progressivement rachetés par la ville de Strasbourg, qui introduit la Réforme dans le village en 1525. Vers 1600, la localité est dotée d'une enceinte entourée d'un fossé rempli d'eau. Au cours de l'année 1632, les troupes autrichiennes du général Montecucculi rasent et détruisent entièrement le village. Ce n'est qu'au milieu du XIX, avec le développement du chemin de fer, puis avec l'installation de Ettore Bugatti au début du , que le village connaît une nouvelle ère de prospérité. Du point de vue confessionnel, il constitue la seule commune du canton de Molsheim à majorité protestante.