Fue hija del elector Felipe Guillermo de Neoburgo y de la landgravina Isabel Amalia de Hesse-Darmstadt. Su madre era famosa por su fertilidad por sus veintitrés embarazos, de sus dieciséis hermanos sobrevivientes se encontraban los electores Juan Guillermo y Carlos Felipe, también Leonor Magdalena la cual fue emperatriz del Sacro Imperio, como la esposa del emperador Leopoldo I, Mariana la cual fue reina de España y María Sofía que fue de Portugal.
El matrimonio de Dorotea Sofía es arreglado por el conde Perletti, un astuto funcionario farnesiano. Los testimonios de la época la describen de una mujer rica y orgullosa de cualidades, combativa y dispuesta a discutir cuestiones económicas con su cuñado.
El 3 de abril de 1690, se casó con Eduardo II Farnesio, hijo y heredero de Renato II Farnesio, aportando una gran dote. Era la primera vez que la casa Farnesio se unía con una dinastía alemana. Las festividades de su boda fueron las más espléndidas que se hallan celebrado en Parma. Su carácter rígido y profundamente devoto la lleva a evitar las reuniones sociales a excepción de los períodos de carnaval. Su matrimonio apenas duró tres años, ya que Eduardo falleció el 6 de septiembre de 1693. Al año siguiente murió su suegro, y lo sucedió su segundo hijo Francisco Farnesio, medio hermano de su primer marido. Debido a que no quería perder la dote de Dorotea Sofía, si está se volvía a casar decidió casarse con ella.
Dorotea Sofía encargó el reloj farnesiano, que fue completado en 1725 por Bernardo Facini de Venecia. Dispuso dispuso que su hija Isabel Farnesio se casara con una de las primeras familias de Europa, casando con Felipe V de España en 1714. Su matrimonio no tuvo descendencia y Francisco murió el 26 de mayo de 1727. El ducado de Parma pasó entonces a Antonio Farnesio y, al fallecer este sin hijos el 20 de enero de 1731, acabó en manos de quien sería más tarde Carlos III de España, hijo de Isabel Farnesio y nieto de Dorotea Sofía.
El 16 de marzo de 1731, el emperador Carlos VI confirmó a Dorotea Sofía junto con el Gran Duque de Toscana como regentes del Infante Carlos, desde el 29 de diciembre de 1731 hasta la mayoría de edad de su nieto, el 20 de enero de 1734. En 1736 el ducado fue cedido a Austria después de la Guerra de Sucesión de Polonia a cambio de los reinos de Nápoles y de Sicilia. Más tarde, en 1748, mediante el Tratado de Aquisgrán, su otro nieto Felipe I de Parma, se convierte en duque de Parma, Plasencia y Guastalla.
Dorotea Sofía murió en Parma, el día 15 de septiembre de 1748. Sus restos fueron enterrados en sótano de la Basílica de Santa María de la Steccata.
