Les concepteurs John Carmack, John Romero et Adrian Carmack se sont rencontrés chez Softdisk, une société qui éditait des magazines accompagnés de disquette de jeux qu’ils devaient concevoir chaque mois. Scott Miller, fondateur de la société Apogee Software, les embaucha, avec un autre programmeur, Tom Hall, pour concevoir et développer un nouveau jeu, Commander Keen, qui aura un grand succès. En mai 1992, ils produiront le jeu Wolfenstein 3D, dans lequel le joueur part à l’assaut d’une forteresse nazie, et qui se vendra à 250 000 exemplaires. Ce succès permit aux développeurs de voler de leurs propres ailes sous le nom id Software.
Le développement de Doom a commencé en 1992 lorsque John Carmack débuta la programmation d’un moteur de jeu basé sur un nouveau moteur de rendu en trois dimensions, connu sous le nom de Doom engine. Le reste de l’équipe d’id Software finissait alors le développement de la suite de Wolfenstein 3D : Spear of Destiny. Lorsque la phase de game design commença, vers la fin de l’année 1992, les influences furent principalement le film de science-fiction et d’action Aliens le retour et le film d’horreur Evil Dead II. Le titre Doom fut choisi par John Carmack.
Le concepteur Tom Hall a écrit un document de conception élaboré appelé Doom Bible, selon lequel le jeu comporterait un scénario détaillé, de multiples personnages joueurs, et un certain nombre de mécanismes interactifs. Cependant, plusieurs de ses idées ont été retirées pendant le développement en faveur d’une conception plus simple, initialement préconisée par John Carmack, ayant à la fin pour résultat une démission forcée de Hall en raison de son investissement contradictoire avec le reste de l’équipe. La majeure partie de la conception des niveaux qui se sont retrouvés dans le jeu final est le travail de John Romero, secondé par Sandy Petersen (créateur du jeu de rôle l’Appel de Cthulhu basé sur l’univers de Lovecraft) et Tom Hall. Les graphismes, de Adrian Carmack, secondé par Kevin Cloud et Gregor Punchatz, ont été créés de diverses manières : beaucoup ont été dessinés ou peints, plusieurs des monstres ont été sculptés dans de l’argile ou avec du latex puis filmés et numérisés, et certaines des armes sont des jouets venant de chez Toys "R" Us. La bande son heavy metal et les effets spéciaux ont été réalisés par Bobby Prince. S’ajoute à cela Paul Radek pour la programmation des sons ; Dave Taylor, Mike Abrash, et American McGee, qui ont complété l’équipe de développement.
Doom fut livré le 10 décembre 1993 à midi sur plusieurs sites de téléchargement.
Le jeu est inspiré de plusieurs films cultes de série B, parmi eux : Alien de Ridley Scott, Terminator de James Cameron et La Mouche de David Cronenberg.
Doom est basé sur la technologie raycasting utilisée auparavant dans Wolfenstein 3D. Au moment de sa sortie, il se distingue par des graphismes 3D réalistes, inégalés par les autres jeux en temps réel fonctionnant sur les ordinateurs personnels. Les améliorations apportées par rapport à Wolfenstein 3D, la précédente réalisation d’id Software, ont été permises par des ajouts de fonctionnalités dans le Doom engine réellement novateur à plus d’un titre :
Contrairement aux niveaux statiques de Wolfenstein 3D, ceux de Doom sont plus interactifs, la hauteur de plafond et le plancher de parties de carte peuvent changer dynamiquement pendant le jeu, ce qui permet de créer des ascenseurs, des ponts mobiles, ou de former graduellement un escalier à partir d'un sol plat. Le sentiment réaliste de l’environnement est augmenté plus encore par l’utilisation du son stéréo, qui est utilisé pour discerner l’origine et la distance d’un bruit.
John Carmack a dû se servir de plusieurs astuces pour que l’ensemble de ses améliorations fonctionne sans latences sur les ordinateurs personnels des années 1993. Le plus significatif est que les niveaux de Doom ne sont pas réellement en trois dimensions ; ils sont en fait représentés sur un plan, avec les différentes élévations ajoutées séparément. Cette astuce est encore employée par beaucoup de jeux lorsqu’il est nécessaire de créer des environnements extérieurs gigantesques. Ceci conduit toutefois à plusieurs limitations conceptuelles : il n’est, par exemple, pas possible qu’une pièce se trouve au-dessus d’une autre. Cependant, cette représentation bidimensionnelle a l’avantage de permettre un rendu très rapide, en utilisant la méthode du découpage binaire de l’espace ((en)binary space partitioning, BSP). L’autre avantage est de simplifier l’affichage du plan des niveaux sans risque de recouvrement.
Un autre élément important du moteur de Doom est son approche modulaire qui permet au contenu du jeu d’être remplacé en chargeant un fichier WAD personnalisé. Wolfenstein 3D n’a pas été conçu pour être extensible, mais les fans avaient néanmoins trouvé comment créer leurs propres niveaux, Doom a été conçu pour faciliter le phénomène. La capacité de créer des scénarios personnalisés a certainement contribué de manière significative à la popularité du jeu.