七歲時父去世，此后全依靠董氏母親將其撫養(yǎng)成人。畢業(yè)于海門中學(xué)高中部，1925年夏曾短期進(jìn)入東南大學(xué)修習(xí)。1926年入上海復(fù)旦大學(xué)，先修英國文學(xué)，后改為法政專業(yè)。獲學(xué)士學(xué)位。他秘密加入國民黨，并成為活躍分子。大學(xué)畢業(yè)后，在西安中山大學(xué)（前國立西北大學(xué)）教書。出任國民黨西安市黨部宣傳部長，踏上從政的道路。 1931年5月，出席國民會議。

于1936年脫離官場赴美留學(xué)，先后獲碩士、博士學(xué)位。

1941年12月，太平洋戰(zhàn)爭爆發(fā)，董霖回國后任教于美國傳教士創(chuàng)辦的之江大學(xué)，后秘密離開上海前往重慶，投身抗戰(zhàn)事業(yè)。1942年以中國國民黨國防最高委員會參事資格，修訂全國行政法規(guī)。翌年任立法院立法委員，在重慶發(fā)起成立中國國際公法學(xué)會，并兼中華法學(xué)會秘書長。嗣任國民政府外交部顧問。1943年被外交部政務(wù)次長吳國楨延攬，調(diào)任外交部參事，從此踏上外交舞臺。戰(zhàn)爭后期，中國對歐美外交是重頭戲，董霖在參與歐洲事務(wù)方面如魚得水，其見識和能力贏得贊賞。 1943年3月，代理外交部常務(wù)次長。1944年3月，任外交部參事。1945年3月，任駐荷蘭大使，1946年11月去職。1947年任外交部美洲司司長。1949年1月，任外交部常務(wù)次長；同年去臺灣。1957年春，被聘為紐約圣若望大學(xué)研究院及大學(xué)部政治系主任兼教授。1962年秋，轉(zhuǎn)任紐約市立大學(xué)研究院及昆士學(xué)院國際公法教授。

1944年底，歐洲戰(zhàn)場勝利曙光在望。為應(yīng)對戰(zhàn)爭勝利后的新局面，國民政府外交部著手調(diào)整外交布局。1945年3月，進(jìn)入外交界剛兩年的董霖被委任為中國駐荷蘭大使。

1945年4月，董霖抵達(dá)荷蘭流亡政府所在地英國倫敦。5月8日，德國宣布投降，歐洲恢復(fù)和平。荷蘭流亡政府忙于從英國遷回國內(nèi)，董霖面臨的首要任務(wù)是籌建新大使館。5月29日，董霖與荷蘭簽訂平等的《中荷新約》，廢除了荷蘭對華不平等條約。10月，董霖將使館從倫敦遷至海牙的新址。

此時，荷屬殖民地東印度群島（即后來的印度尼西亞）的獨(dú)立運(yùn)動風(fēng)起云涌，時時牽動著董霖的神經(jīng)。太平洋戰(zhàn)爭爆發(fā)后，日本攻占了荷屬東印度群島。日本投降后，當(dāng)?shù)氐挚诡I(lǐng)袖蘇加諾領(lǐng)導(dǎo)了聲勢浩大的獨(dú)立運(yùn)動，局勢非常混亂，華僑的安全和財(cái)產(chǎn)受到嚴(yán)重威脅。荷屬殖民地有華僑200萬人，保護(hù)他們的利益是國民政府的責(zé)任。董霖除及時與荷蘭政府溝通，了解荷蘭動態(tài)外，還通過荷屬殖民地華僑留學(xué)子女，探詢當(dāng)?shù)貙?shí)情，為政府及時掌握東印度群島狀況，做出了不懈的努力和貢獻(xiàn)。

董霖的駐荷大使生涯并不平靜，抵達(dá)荷蘭不久，他就卷入了一場“匯率兌換”風(fēng)波。1945年9月下旬，在荷華僑前來使館求助。由于戰(zhàn)時環(huán)境，華僑無法匯款回國接濟(jì)家屬。當(dāng)時荷蘭盾不是國際通用貨幣，需要兌換成英鎊才能匯寄國內(nèi)。董霖同情僑民的遭遇，吩咐秘書為之兌換，并代從倫敦匯款�；氐絺惗睾�，他又發(fā)現(xiàn)鄉(xiāng)村無法收匯，正巧有兩位路過倫敦的外交官在國內(nèi)存有法幣，經(jīng)協(xié)商匯價后，解決了難題。不料，后來荷蘭盾對英鎊升值，一些僑民向外交部控訴，認(rèn)為使館從中牟利，損害僑民利益，這讓董霖始料未及。為避免流言蜚語的中傷，他特請求外交部派員徹查。經(jīng)此事周折，董霖遂托病于1946年11月離開荷蘭大使任所回國。

1946年6月，蔣介石下令進(jìn)攻中原解放區(qū)，內(nèi)戰(zhàn)全面爆發(fā)。1947年初，回國的董霖?fù)?dān)任外交部顧問兼美洲司司長，直到1948年12月。正是在美洲司司長任上，董霖死心塌地為蔣介石的對美外交服務(wù)�！∈Y介石發(fā)動內(nèi)戰(zhàn)不久，形勢轉(zhuǎn)而對蔣介石不利，美援成為國民政府的救命稻草，而乞求美援便成為外交部的中心任務(wù)。當(dāng)時，美國從全球戰(zhàn)略出發(fā)，加強(qiáng)了對蔣介石政府的援助。董霖整天忙碌于與美國使館商談經(jīng)濟(jì)與軍事援助等問題，先后由他參與和經(jīng)手的協(xié)定、換文中，軍事類有1947年11月中美互換同意美軍駐軍換文、12月《中美海軍協(xié)定》；經(jīng)濟(jì)類有1948年7月《美國對華經(jīng)濟(jì)援助協(xié)定》、8月中美設(shè)立中國農(nóng)村復(fù)興委員會換文；文化類及慈善事業(yè)類有1947年10月的中美《關(guān)于美國救濟(jì)援助中國人民之協(xié)定》、11月中美《文化協(xié)定》等。

上述協(xié)定、換文很多是董霖親手交涉辦理的，例如，當(dāng)美國國會通過《援華法案》，撥款3.38億美元作為經(jīng)濟(jì)援助、1.25億美元作為軍事援助，董霖代表中國政府與美方商談這些援助款的具體實(shí)施辦法。由于這是美國赤裸裸支持蔣介石政府內(nèi)戰(zhàn)的行為，外交部長王世杰擔(dān)心泄密，要求董霖親自交涉辦理。董霖自恃在美有年，了解美國民族性、黨政習(xí)性和外交手段，便自夸交涉“得心應(yīng)手”，相當(dāng)順利。

然而實(shí)際上，為了換取美援，協(xié)定、換文都是依照美國的要求簽訂的。1948年7月，《美國對華經(jīng)濟(jì)援助協(xié)定》簽字前，連王世杰也認(rèn)為協(xié)定中美方有權(quán)對援華物資“直接監(jiān)督及管理”的規(guī)定，有損國體，因此要求董霖交涉刪除相關(guān)條款。但董霖對此大為不滿，追問王世杰，假如美方不同意刪除，中國政府是否拒絕協(xié)商而放棄美援。他甚至還認(rèn)為，這是中國人好要面子的表現(xiàn)，毫無意義。

在此期間，令董霖頗有成就感的事，是他牽頭解決了中美間一件懸案。1946年8月，中美簽署讓售戰(zhàn)時剩余物資協(xié)定，美國將存放于西太平洋總值約25.3億美元的戰(zhàn)時剩余物資，按10%的價格“出售”給中國，作為補(bǔ)償，中國承諾將一些港口的房地產(chǎn)轉(zhuǎn)讓與美國駐華機(jī)構(gòu)使用。但由于各機(jī)構(gòu)推諉，中方的承諾始終未能落實(shí)。結(jié)果，美國駐華大使司徒雷登大怒，向蔣介石和行政院長張群提出抗議。鑒于事態(tài)嚴(yán)重，張群要求董霖牽頭處理此事。董霖受命后，用快刀斬亂麻的方式，將有關(guān)部門負(fù)責(zé)人集中在一起，最終商討出解決辦法，并限期執(zhí)行。問題很快得到妥善解決。董霖為此沾沾自喜，自認(rèn)為維護(hù)了美方的“合法”利益，為中美關(guān)系做了好事。

1948年12月20日，董霖轉(zhuǎn)任外交部次長。此時，蔣家王朝已是強(qiáng)弩之末，傾覆在即。董霖深知大勢已去，便以處理法國使館凌其翰等起義事件、安撫駐外使館人心為由，于1949年10月飛抵歐洲。12月，他電請辭職，脫離了蔣介石陣營。

此后，董霖轉(zhuǎn)往美國定居，以教書和著述為生。1957年春，他應(yīng)聘為紐約圣若望大學(xué)研究院及大學(xué)部政治系主任兼教授。1962年秋，轉(zhuǎn)任紐約市立大學(xué)研究院及昆士學(xué)院國際公法教授。1998年10月18日去世，享年92歲。

著有《帝國主義與中華民族》、《中國政府》、《戰(zhàn)前之中國憲法制度》、《中國與國際公法》、《國際公法例案》、《近代中國之政治制度》、《聯(lián)合國制度下之國際組織》、《中國與列強(qiáng)》、《中國革命的回憶，一九二六—一九四九》、《顧維鈞與中國戰(zhàn)時外交》等。