Дарья Павленко родилась в 1978 году в Москве. Следуя примеру старшей сестры, она поступила в Академию русского балета им. А.Я. Вагановой в Ленинграде. Она прошла полный восьмилетний курс, занимаясь сначала с Ольгой Искандеровой, а в последние три года - с Еленой Евтеевой. Закончив обучение в июне 1996 года, Дарья Павленко была принята в кордебалет Мариинского театра.

Карьера Дарьи Павленко развивалась более традиционным путем, чем принято в Мариинском театре, где сейчас звезды часто рождаются в один вечер. В ее случае постоянная работа в кордебалете предшествовала более заметным партиям. В свой второй сезон в Мариинском театре она начала готовить первые сольные роли, главным образом под руководством Габриэллы Комлевой, одной из наиболее выдающихся балерин предыдущего поколения. В 1998 году Павленко станцевала Марию в драмбалете Захарова «Бахчисарайский фонтан», Фею Сирени в «Спящей красавице» Константина Сергеева и Гамзатти в «Баядерке». В конце того же года в партнерстве с Исломом Баймурадовым она выступила в "Среднем дуэте" Ратманского, предъявляющем высокие требования к технике. В апреле 1999 года Павленко была выбрана танцевать третий акт «Спящей красавицы» в гала-концерте, посвященном ее педагогу-репетитору Габриэлле Комлевой.

В свой четвертый сезон Дарья Павленко, теперь уже солистка, дебютировала в роли Одетты-Одиллии в «Лебедином озере» и станцевала вторую балеринскую партию в «Рубинах». Во время масштабного летнего сезона Мариинского театра в Ковент-Гардене в июне 2000 года она привлекла к себе внимание, в течение дня выучив и станцевав главную партию в «Бриллиантах» Баланчина. Выучив «Изумруды» позднее в том же году, Павленко стала одной из немногих балерин, с одинаковым успехом освоивших все три части «Драгоценностей» - редкое достижение, прекрасно иллюстрирующее многогранность ее таланта.

Широта дарования Павленко обнаружилась еще ярче благодаря успешным дебютам в пятый и шестой сезоны в театре. В августе 2001 года она впервые станцевала «Жизель», за которой последовала «Легенда о любви» в ноябре того же года, Сирена в «Блудном сыне» Баланчина в декабре 2001 года, и «Раймонда» в январе 2002.

На Втором международном фестивале балета «Мариинский» в марте 2002 года Павленко станцевала Сирену в «Блудном сыне» с премьером Парижской Оперы Николя Ле Ришем.

В апреле 2002 года Дарья Павленко получила специальный приз жюри фестиваля «Золотая маска» за исполнение роли Королевы снежинок в «Щелкунчике» Симонова (в Москве), и в июне 2002 года была награждена призом «Надежда» пивоваренного завода «Балтика» (в Санкт-Петербурге).

В октябре 2003 года Павленко была приглашена выступить с Английским Королевским балетом в лондонском Ковент-Гардене, где станцевала Никию в «Баядерке» Натальи Макаровой. Ее партнером был Роберто Болле.

Дарья Павленко гастролировала с Мариинским театром по всему миру. Среди ее партнеров – Данила Корсунцев, Виктор Баранов, Игорь Зеленский, Игорь Колб, Андрей Меркурьев, Александр Курков, Леонид Сарафанов. Она также танцевала с Роберто Болле (Ла Скала), Николя Ле Ришем (Парижская Опера), Итаном Стифелом (Американский Балетный театр), Николаем Цискаридзе (Большой театр). На пятом сезоне работы в Мариинском театре она снова начала работать со своим педагогом из Академии им. Вагановой, Еленой Евтеевой. В феврале 2004 года Павленко официально получила звание прима-балерины Мариинского театра.