Nascida em Syracuse, Dana Vollmer passou a infância na cidade texana de Granbury onde aprendeu a nadar. Desde sempre foi um talento precoce tendo tentando uma vaga na seleção americana para os Jogos de Olímpicos de Sydney-2000 com apenas 12 anos, sendo a mais jovem atleta da seletiva americana. No ano seguinte fez sua estreia o time americano aos 13 anos onde disputou a última edição do Goodwill Games. Porém, em 2003 foi diagnosticada com taquicardia supraventricular e realizou uma cirurgia para corrigir o problema.
Com a situação cardíaca estabilizada, voltou seu foco para as piscinas e em Atenas-2004 conseguiu vaga para o time olímpico americano, integrando o revezamento 4x200m livre que sagrou-se campeão. No próximo ciclo olímpico continuou fazendo parte da seleção americana e esteve nos principais campeonatos do período indo ao pódio no Mundial de longa de Melbourne-2007, de curta e Indianápolis-2004 e no Campeonato Pan-Pacifico de Victoria-2006.
Sofreu um duro revés em 2008 ao não conseguir se classificar para os Jogos Olímpicos de Pequim-2008 e a partir dai começou a intensificar seu treinamento nos 100m borboleta. Nos Mundiais de Roma-2009 e Xangai-2011 conquistou quatro medalhas, com destaque para título mundial nos 100m borboleta em Xangai. No mesmo período foi cinco vezes ao pódio do Campeonato Pan-Pacífico de Irvine-2010 e conseguiu a vaga para Londres-2012.
Em Londres conquistou seu título mais importante: a medalha de ouro nos 100m borboleta. E foi com uma perfomance avassaladora, estabelencendo um novo recorde mundial com 55s98 e tornando a primeira mulher a nadar a distância abaixo dos 56 segundos. Vollmer não deu chance para nenhuma adversária e venceu com quase um segundo de vantagem para a vice-campeã Lu Ying. Ainda levou outros dois ouros com o 4x100m medley e 4x200m livre.
Após Londres ainda nadou o Mundial de Barcelona em 2013 e se afastou das piscinas para dar a luz ao primeiro filho, Arlen, que nasceu em 2015. Retornou aos treinos e em busca de ir aos Jogos do Rio-2016. Novamente conseguiu um lugar na equipe olímpica americana e voltou ao pódio com um bronze nos 100m borboleta, um ouro com o 4x100m medley e uma prata com o 4x100m livre. Em 2017 engravidou novamente e protagonizou uma cena curiosa no Arena Pro Swim Series de Mesa ao nadar grávida de seis meses com um traje especial.
Após o nascimento o segundo filho, Rkyer, tentou retornar a natação competitiva, mas no início de 2019 anunciou sua aposentadoria e competiu pela última vez no Campeonato Americano. Hoje é embaixadora do programa Go Red for Women da Associação Americana do Coração.
