Dorothea Kleine arbeitete nach einem Studium des Journalismus von 1948 bis 1961 als Redakteurin bei verschiedenen Tageszeitungen der DDR. Danach war sie vorwiegend als Gerichtsreporterin tätig. Seit Anfang der Sechzigerjahre ist sie freie Schriftstellerin. Sie verfasste eine Reihe von Kriminalromanen sowie zwischen 1968 und 1985 zehn Szenarien für Fernsehkrimis des DDR-Fernsehens. Zu den besonderen Erfolgen in ihrem Schaffen gehört der biografisch geprägte Roman „Das schöne bisschen Leben“ (1985). Sie gestaltet darin eine Phase eigener Liebe und Enttäuschung unter der Last lebenslangen schweren Herzleidens. Weder davor noch danach beschränken sich ihre Sujets ausschließlich auf gesellschaftlich determinierte Kriminalfälle, mit denen sie sich literarisch auseinandersetzt. Als bemerkenswertes Spätwerk fügt sich der Krimi „Das Paradies ist anderswo“ (2009) in die Reihe erfolgreicher Romane und Erzählungen.

Die jahrzehntelang in Cottbus lebende Autorin vertrat die Interessen ihrer Kollegen als Vorsitzende des bezirklichen Schriftstellerverbandes, der sich nach 1989 auflöste. Dorothea Kleine erhielt 1974 den Carl-Blechen-Preis des Bezirks Cottbus; 1988 war sie Stadtschreiberin in Saarbrücken.