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Dohrn war der dritte Sohn von [[Carl August Dohrn]] und dessen Ehefrau Adelheid Dietrich. Zu seinen Paten zählte der Komponist [[Felix Mendelssohn Bartholdy]]. Er studierte an den Universitäten [[Albertus-Universität Königsberg|Königsberg]], [[Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn|Bonn]] und [[Friedrich-Schiller-Universität Jena|Jena]] bei [[Rudolf Virchow]], [[Ernst Haeckel]] und [[Carl Gegenbaur]] die Fächer [[Medizin]] und [[Zoologie]]. 1868 wurde er in [[Jena]] zum Thema ''Studien zur Embryologie der Arthropoden'' habilitiert und blieb dort die folgenden zwei Jahre als Dozent für Zoologie. Zu seinen Studenten gehörten [[Hermon Carey Bumpus]] (1862–1943), [[William Morton Wheeler]] und [[Charles Otis Whitman]] (1842–1910).<ref>{{Cite web| title = Felix Anton Dohrn| publisher = nceas.ucsb.edu| accessdate = 2012-05-06| url = http://www.nceas.ucsb.edu/~alroy/lefa/Dohrn.html}}</ref> Eindringlich beschäftigte er sich unter dem Eindruck des [[Darwinismus]] mit der [[Phylogenese|Stammesgeschichte]] von [[Gliederfüßer]]n auf der Basis von embryologischen und vergleichenden anatomischen Daten. Auf seinen Erkenntnissen aufbauend schlug er als erster die [[Abstammung]] der [[Wirbeltiere]] von [[Ringelwürmer|ringelwurmartigen]] Vorfahren vor. Anton Dohrn beschrieb außerdem das ''Prinzip des Funktionswechsels''.
 
1874 heiratete er die [[Polen (Volk)|polnische]] Übersetzerin Maria Baranowska.
 
[[Datei:Stazione zoologica Dohrn.jpg|miniatur|Zoologische Station in Neapel]]