В начале карьеры Дарья выступала за Россию, но в 2004 году получила предложение от старшего тренера женской сборной выступать за Белорусию. Она согласилась и начала тренироваться со сборной Белоруссии. Около 6 месяцев пришлось добиваться права выступать за Белоруссию. На тот момент Домрачева уже была многократной чемпионкой России среди юниоров и призёром соревнований европейского уровня.
Первым крупным международным стартом за сборную Белоруссии стал чемпионат мира среди юниоров 2005 года, где в первой гонке (индивидуальной) стала 40-й.[2] На одном из рубежей отвалился диоптр, в результате чего на третьей стрельбе было допущено пять промахов из пяти возможных. Следующие две гонки — спринт[3] и преследование[2] Домрачева выиграла. Через год с аналогичного первенства Дарья увезла лишь бронзу за гонку преследования.
В Кубке мира дебютировала 1 декабря 2006 года (сезон 2006/07) в рамках 1-го этапа в шведском Эстерсунде в спринтерской гонке, показав 16-й результат[4] (став второй из пяти белорусских спортсменок). На юниорском первенстве мира 2007 года ей дважды удалось прийти к финишу второй: в спринте и преследовании.
В сезоне 2008/09 начала регулярно попадать в десять лучших по итогам гонки. На этапе в Оберхофе в гонке с массового старта с Дарьей произошёл курьёз. Возглавляя гонку и придя на второй огневой рубеж первой, вместо стрельбы лёжа она отстрелялась стоя[5], не добившись, к тому же, ни одного попадания. Ей пришлось сойти с дистанции. Несмотря на такое происшествие, уже в рамках 5-го этапа Кубка мира впервые попала на подиум в личной гонке — Дарья заняла 3-е место[6]. После этого успеха последовали ещё два подиума. На чемпионате мира 2009 поставила рекорд по количеству отыгранных мест в гонке преследования среди женщин — 48 позиций.
Год спустя также в масс-старте в Оберхофе Домрачева была лидером гонки перед третьей стрельбой с достаточно большим преимуществом. Но три выстрела были отправлены по чужой мишени. Поняв ошибку, Дарья продолжила стрельбу по своей мишени, но полученные 4 штрафных круга не позволили бороться за победу в гонке.
На этапе в Контиолахти Кубка мира 2009—2010 Домрачева выиграла спринт, а затем и гонку преследования. На волне этого успеха на следующем этапе (Холменколлен) Дарья заняла 2-е места в личных гонках, уступив лишь немке Симоне Хаусвальд.
В сезоне 2010/11 годов выиграла две медали на чемпионате мира в Ханты-Мансийске — «серебро» в масс-старте и «бронзу» в эстафете. В общем зачете Кубка мира 2010—2011 годов Д.Домрачева заняла 6 место.
Сезон 2011/12 годов стал лучшим в карьере Дарьи. В Кубке мира она впервые на равных конкурировала с признанным лидером мирового женского биатлона немкой Магдаленой Нойнер. Немецкая биатлонистка объявила сезон 2011—2012 годов заключительным в своей карьере и стремилась к победам во всех дисциплинах, но интрига в борьбе за Большой Хрустальный глобус сохранялась до конца сезона. Преимущество Нойнер в скорости было нивелировано такой же скоростью Домрачевой. В стрельбе Дарья также стала значительно стабильнее. Восемнадцать раз Дарья Домрачева поднималась на пьедестал почета в различных гонках сезона. Впервые в своей карьере стала чемпионкой мира, завоевав «золото» в гонке преследования на чемпионате мира в Рупольдинге. По итогам сезона Домрачева заняла второе место в общем зачёте Кубке мира с отставанием от Нойнер в 28 очков, выиграла два малых хрустальных глобуса — в преследовании и масс-старте, была второй в зачёте спринта и третьей в индивидуальных гонках.
В преддверии кубкового сезона 2012/13 годов Домрачева считалась фавориткой и главной претенденткой на завоевание Большого Хрустального глобуса. Однако, результаты биатлонистки оказались неоднозначными. Великолепные старты сочетались с откровенными провалами. Главной причиной неудач Дарьи стала нестабильная стрельба, хотя в скоростном компоненте она по-прежнему оставалась одной из лучших. На чемпионате мира в чешском Нове-Место Дарья выиграла второе золото в карьере — на этот раз победа пришла в масс-старте. Всего в сезоне 2012/13 годов Домрачева выиграла три гонки Кубка мира и девять раз поднималась на подиум. В общем зачете спортсменка повторила прошлогодний результат, закончив сезон второй.
Впервые стала олимпийской чемпионкой 11 февраля 2014 года, выступая в гонке преследования на дистанции 10 км на Олимпийских играх — 2014 в Сочи. Занимая 9 место и уступая по результатам спринта от 9 февраля 2014 года победительнице данной программы Анастасии Кузьминой 31,8 с, серебряному призёру Ольге Вилухиной 11,9 с, бронзовому призёру Вите Семеренко 10,1 с, Домрачева после второй стрельбы захватила лидерство в гонке, причём далее, после каждого огневого рубежа только упрочивала лидерство. И только на последнем, 4 огневом рубеже, лидируя более чем на 40 секунд, Дарья позволила себе промахнуться последним 20-м выстрелом, что совсем не помешало ей выйти на последний круг абсолютным лидером и с гордостью взять в руки флаг своей страны на финишной прямой.
На этой же Олимпиаде 14 февраля 2014 года завоевала свою вторую золотую медаль в индивидуальной гонке на 15 км, допустив 1 промах на втором огневом рубеже и показав отличную скорость на дистанции.
17 февраля 2014 года завоевала свою третью олимпийскую медаль. Участвуя в масс-старте под номером 2 и совершив всего один промах, стала первой в истории биатлонисткой, завоевавшей три золотые олимпийские медали в личных гонках (при этом все на одних Олимпийских играх). В этот же день президент республики Александр Лукашенко присвоил Домрачевой звание «Герой Беларуси»[7].
В истории белорусского спорта Д. Домрачева относится к числу спортсменов, получивших наибольшее количество золотых медалей на одной Олимпиаде — наряду с В. В. Щербо (6 медалей, Олимпиада 1992 года), О. В. Корбут (3 медали, 1972) и В. В. Парфеновичем (3 медали, 1980). Она первая из белорусских спортсменов, кто награждён тремя золотыми медалями на одной зимней Олимпиаде, а также первая, кто получил три золотые медали на одной Олимпиаде из состава олимпийской команды Республики Беларусь (О. Корбут и В. Парфенович выступали в составе команд СССР, а В. Щербо — в составе Объединённой команды).