Née dans une famille aisée, elle a commencé la gymnastique à l'âge de sept ans après s'être inspirée des Jeux Olympiques d'Athènes en 2004. Son père Arthur Douglas, qui a lui-même été gymnaste, a soutenu sa fille dans sa carrière.
En 2011, elle remporte la médaille d'or au concours général individuel lors des Championnats nationaux américains de gymnastique artistique et est sélectionnée pour participer aux Jeux olympiques de Londres en 2012. Avec sa coéquipière Aly Raisman, elle remporte l'or au concours par équipes féminin, devenant ainsi la première Afro-américaine à réaliser une performance de ce genre dans les Jeux Olympiques. Individuellement, elle termine deuxième au concours général individuel et s'impose au concours des barres asymétriques.
Après les Jeux olympiques, Douglas continue sa carrière en tant que membre de l'équipe nationale américaine et remporte la médaille d'or au concours général individuel aux championnats du monde 2015 à Glasgow en Écosse, ce qui la fait devenir la première Afro-américaine à conquérir cette épreuve. Elle termine également deuxième au concours des barres asymétriques lors de ces mêmes Mondiaux.
En 2016, elle participe à ses seconds Jeux olympiques à Rio de Janeiro, où elle est une candidate potentielle pour la médaille d'or individuelle, mais se contente finalement de la médaille de bronze au concours général individuel et du bronze aux barres asymétriques. Elle annonce sa retraite sportive en octobre 2016 à l'âge de seulement 20 ans.
Douglas a été lauréate des prix Arthur Ashe Courage Award lors de la cérémonie des ESPY Awards en juillet 2013 et a reçu le prix Jesse Owens en octobre 2014 pour ses réalisations exceptionnelles dans les sports.
Depuis sa retraite sportive, Douglas est devenue une ambassadrice des droits humains, défendant notamment les droits des femmes et des enfants à travers le monde. Elle continue également de promouvoir la gymnastique en tant que membre du conseil consultatif national de l'United States Olympic Committee (USOC).