Den 1949 Delahaye Roadster, som en del har dubbat den vackraste bilen i världen, gavs till Dors när hon var 17.
Den himmelsblå bilen har av auktionsförrättarna beskrivits som "extravagant och upprörande - en rullande skulptur".
Dors, som betraktades som den brittiske Marilyn Monroe, dog 1984 i åldern 52 år.
Född Diana Mary Fluck, Dors blev känd som en 1950-tals blond sex symbol, men var också väl respekterad för hennes skådespelarskicklighet.
RM auktionsförrättare sa att bilen var kurvig, sexig och flamboyant, precis som sin tidigare ägare.
Det förväntades sälja för upp till $6m men gick för $3m plus en köpares premie på 10%.
Bilen är en av bara 150 Roadsters tillverkade, och bara en av 51 av sin specifika modell - 175S.
Företaget upphörde med produktionen 1951, eftersom det fann att det inte fanns någon större efterfrågan på sådan extravagans under efterkrigstiden.
När Dors först fick bilen hade hon inte ens körkort.
Vid 20 års ålder blev hon den yngsta ägaren till en Rolls-Royce i Storbritannien - en återspegling av hennes framgång i tidig ålder.
Efter hennes död bytte bilen ägare flera gånger och har på senare år återställts till sitt tidigare skick.
I sin katalog lista, RM Auktioner säger Roadster - som har en topphastighet på 70mph - kan "lätt göra anspråk på att vara den mest extravaganta och vackra coachbulit bil som finns".
En sportbil som en gång ägdes av den framlidne brittiske skådespelerskan Diana Dors har sålts för 3 miljoner dollar (1,9 miljoner pund) på en auktion i Kalifornien.