Matchworn wedstrijdshirt Doneyll Malen PSV. Malen zette zijn eerste stappen in het voetbal op vierjarige leeftijd bij VV Succes. Na een seizoen maakte hij de overstap naar HVV Hollandia. Op negenjarige leeftijd werd hij opgenomen in de jeugdopleiding van Ajax. In 2015 verruilde Malen de jeugd van Ajax voor die van Arsenal. Op 31 augustus 2017 keerde hij terug naar Nederland en tekende een contract bij PSV dat liep tot medio 2020.
Het debuut van Malen in het betaald voetbal vond plaats op 8 september 2017. Hij speelde met Jong PSV een wedstrijd in de Eerste divisie tegen FC Eindhoven (1–2 winst). Gedurende het seizoen 2017/18 ontving hij de Bronzen Stier voor het grootste talent in de tweede periode van de Eerste divisie.
Malen maakte op 3 februari 2018 zijn debuut in het eerste elftal van PSV, invallend in de 82e minuut tijdens een wedstrijd tegen PEC Zwolle (4–0 winst). In juni 2018 werd hij door de net aangestelde hoofdcoach Mark van Bommel overgeheveld naar de selectie van het eerste elftal van PSV. Zijn UEFA Champions League-debuut vond plaats op 21 augustus 2018, toen hij in de 87e minuut inviel in een voorrondeduel tegen FK BATE Borisov. Twee minuten later scoorde hij het winnende doelpunt, tevens zijn eerste voor de hoofdmacht van PSV. Onder Van Bommel speelde Malen in zijn eerste volledige seizoen in het eerste elftal bijna alle competitiewedstrijden. Meestal als invaller, waarbij hij tien doelpunten maakte.
Na het vertrek van Luuk de Jong in juli 2019 nam Malen diens rugnummer 9 over en begon het seizoen 2019/20 als de nieuwe spits onder Van Bommel. In augustus 2019 verlengde hij zijn contract bij PSV tot medio 2024. Op 14 september 2019 scoorde Malen vijf keer in één wedstrijd tegen Vitesse (5–0 winst). Hiermee was hij de derde PSV’er die dit presteerde in een Eredivisieduel. Tijdens het seizoen 2020/21 speelde hij sterk en scoorde hij 27 doelpunten in alle competities.
Op 27 juli 2021 werd bekendgemaakt dat Malen overstapte naar het Duitse Borussia Dortmund. Hij tekende een contract voor vijf seizoenen. Hij maakte zijn officiële debuut op 15 augustus 2021 tegen Eintracht Frankfurt, waarbij hij in de 73e minuut inviel. Op 20 november 2022 maakte hij zijn eerste doelpunt in de Bundesliga tegen VfB Stuttgart.
Malen maakte zijn debuut in het Nederlands voetbalelftal op 6 september 2019, ingebracht door bondscoach Ronald Koeman in de 58e minuut van een EK-kwalificatiewedstrijd tegen Duitsland (2–4 winst), waar hij Nederland op 2–3 zette. In de daaropvolgende interland tegen Estland, kreeg Malen zijn eerste basisplaats.
Tijdens het EK 2020 (gespeeld in 2021) koos trainer Frank de Boer in de eerste twee wedstrijden voor Wout Weghorst. In de derde en vierde wedstrijd begon Malen in de basis.