Prof. Doležel absolvoval v roce 1978 Vysokou školu zemědělskou v Brně. Vědeckou hodnost CSc. obdržel v roce 1983 v Ústavu experimentální botaniky (ÚEB) ČSAV a vědeckou hodnost DrSc. získal v roce 2001 na ÚEB AV ČR. V témže roce se na Univerzitě Palackého v Olomouci (UP) habilitoval pro obor botanika. Od roku 1983 pracuje v ÚEB postupně jako vědecký pracovník a vedoucí Laboratoře molekulární cytogenetiky a cytometrie, kterou založil. V letech 1985–1986 absolvoval postdoktorský pobyt na výzkumném ústavu ENEA v Římě. Vedoucím olomouckého pracoviště ÚEB AV ČR byl jmenován v roce 1997. Od roku 1992 působí externě na Katedře buněčné biologie a genetiky UP, kde přednáší tři semestrální kurzy. Dosud také přednášel na více než 20 odborných kurzech v zahraničí a školil 15 doktorandů.

Ve své práci se zaměřuje na studium dědičné informace rostlin, její strukturu a změny, které doprovázely evoluci rostlin a vznik nových druhů. Se svým týmem vypracoval nové metody, které usnadňují analýzu složitých genomů. V rámci mezinárodních projektů se podílí na čtení dědičné informace významných druhů rostlin. Je členem redakčních rad čtyř mezinárodních vědeckých časopisů a členem čtyř vědeckých společností. V roce 2001 inicioval založení České společnosti pro analytickou cytologii, které v letech 2007–2011 předsedal. V letech 2007–2012 byl členem a místopředsedou rady ÚEB AV ČR. Od roku 2007 je členem Rady Biofyzikálního ústavu AV ČR a od roku 2013 členem Rady Biologického centra AV ČR. Členem Akademického sněmu AV ČR je od roku 2007. Za výsledky své vědecké práce získal v roce 1999 cenu Učené společnosti ČR a v roce 2004 byl zvolen jejím řádným členem. V roce 2012 obdržel od AV ČR cenu „Praemium Academiae“.