Después de graduarse de la preparatoria, Doutzen Kroes envió fotografías a la agencia de modelos Paparazzi de Ámsterdam. Desde entonces ha sido portada de revistas como Time, Vogue, Harper’s Bazaar o Numéro.

Aparece en los catálogos de Victoria’s Secret y en sus pasarelas de 2005 a 2013. Entre las campañas en las que ha participado se encuentran las de Gucci, Tommy Hilfiger, Valentino y Versace. En agosto de 2005 fue la imagen del Eternity de Calvin Klein y en abril de 2006 firmó un contrato de 3 años con L’Oréal.

En 2005 fue elegida como modelo del año en Vogue y compartió la portada de mayo de 2007 con Hilary Rodha, Caroline Trentini, Raquel Zimmermann, Sasha Pivovarova, Agyness Deyn, Coco Rocha, Jessica Stam, Chanel Iman y Lily Donaldson.

En 2010 se convirtió en la imagen del Fashion Fest para Liverpool en México y en julio anunció su embarazo junto a su novio, el DJ Sunnery James. Éste nació el 21 de enero de 2011 y se llamó Phyllon Joy Gorré, mientras tanto ella reaparecía en el Victoria’s Secret Fashion Show en noviembre de 2011 como una de las modelos más importantes del desfile. También participó en el desfile anual de los ángeles de Victoría’s Secret de 2012. El 31 de julio del 2014, se convirtió en madre por segunda ocasión de una niña, a la cual nombraron Myllena Mae.