Née à Dunkerque, Dominique Lagrou-Sempère grandit à Dieppe en Seine-Maritime. Elle obtient son baccalauréat littéraire en 1992. Elle s'installe ensuite à Paris et intègre le lycée Jules-Ferry en prépa littéraire, hypokhâgne/khâgne, avant de se diriger vers des études anglophones à la Sorbonne.
Dominique Lagrou-Sempère s'envole alors pour l'Angleterre et y rédige sa thèse sur la place de la femme dans l’œuvre Sarah et le lieutenant français, de John Fowles. Parallèlement, elle dispense des cours de français à la Howard of Effingham School. Elle poursuit ses études à Montréal, et obtient un DEA à l'université McGill. De retour en France en 1999, Dominique Lagrou-Sempere soutient sa thèse de doctorat et ressort diplômée de l'université de la Sorbonne. Elle poursuit sur sa lancée et intègre par la suite l'École supérieure de journalisme de Lille.
Diplômée, c'est sur TF1 qu’elle fait ses débuts, en 2001, en tant que journaliste et grand reporter. Elle se fait connaître du grand public aux côtés de Jean-Pierre Pernaut, dans le 13 heures de TF1, puis sur LCI, dans l'émission Au cœur des régions, diffusée depuis 2016.
En octobre 2021, Dominique Lagrou-Sempère confirme lors d'une interview qu'elle ne fait plus partie de l'équipe du JT de 13 h de TF1.
Le 3 novembre 2021, elle publie l'ouvrage Après l'orage dans lequel elle revient sur le décès de son mari Claude Sempère, des suites d'une longue maladie.
Côté vie privée, Dominique Lagrou-Sempère est mariée à Claude Sempère, grand reporter sur France 2, avec lequel elle a deux enfants, Matilda et Esteban. Le décès de Claude Sempère à l'âge de 55 ans, est annoncé le 29 novembre 2019, à l'antenne de France 2, par Laurent Delahousse. Dans une interview accordée à France Dimanche en avril 2023, Dominique Lagrou-Sempère indique avoir rencontré un homme très vite après la mort de Claude Sempère.