Bacharel, Mestre e Doutor em Direito pela Universidade do Brasil, atual Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), cursou o International Tax Program da Harvard Law School entre 1965 e 1966, onde especializou-se em finanças públicas e tributação com cursos no exterior. Também estudou Finanças Públicas na Universidade de Nancy, na França.[8] Foi professor de Direito Financeiro na Faculdade Nacional do Rio.

Iniciou a sua carreira como político trabalhando com o seu tio paterno Tancredo Neves na Secretaria de Finanças de Minas Gerais em 1959. Por influência dele atuou junto ao Partido Trabalhista Brasileiro (PTB). Durante o período de Tancredo como primeiro-ministro do país, foi seu secretário particular.[6]

Após a saída de Tancredo do cargo de primeiro-ministro, se afasta da vida partidária e se dedica à carreira acadêmica. A partir de 1972, assume diversos cargos no governo federal da ditadura militar (ARENA).

Foi secretário da Receita Federal em 1979 e, em 1985, ministro da Fazenda escolhido pelo presidente eleito indiretamente Tancredo Neves e mantido por José Sarney, que acabaria por assumir a Presidência.

Em 1984, com a articulação da candidatura de Tancredo à presidência da República, se aproxima do Partido do Movimento Democrático Brasileiro (PMDB). Em 1986, se elege deputado federal pelo Partido da Frente Liberal (PFL), onde permanece até 1993, quando retorna ao partido sucedâneo da ARENA – o Partido Democrático Social (PDS) – e suas denominações seguintes (PPR/PPB/PP), sendo entre 2007 e 2013 presidente nacionalmente do partido, já então denominado Partido Progressista, sigla da qual foi presidente de honra até o seu falecimento.[8] Transmitiu a presidência do partido ao também senador Ciro Nogueira.[9]

Foi eleito deputado federal pela primeira vez em 1986, tendo sido reeleito por mais quatro vezes seguidas.

Na Constituinte de 1988, segundo entrevista concedida anos depois, Dornelles chegou a ser agredido por Antônio Carlos Magalhães, que lhe puxou a gravata e chamou-o de “traidor”, por recusar-se a votar no mandato de cinco anos para o presidente Sarney.[10]

Disputou a prefeitura do Rio de Janeiro em 1992, tendo obtido o 7º lugar.

Foi também o ministro da Indústria e Comércio e o ministro do Trabalho, no governo Fernando Henrique Cardoso.

Em 1987, como deputado federal, Dornelles foi admitido já no grau de Grã-Cruz à Ordem do Mérito, de Portugal.[11] Em 1999, como ministro, foi condecorado por FHC com a Ordem do Mérito Militar no grau de Grande-Oficial especial.[3]

Em 2006, foi eleito senador pelo Rio de Janeiro, tendo como primeiro suplente Péricles Olivier de Paula.