Downing, som bara hade erbjudits ett års avtal av Saddlers, gjorde 183 framträdanden för klubben efter hans release av West Brom i augusti 2012.
Den 24-åriga centret-back har också tidigare varit ute på lån på Hereford United, Shrewsbury Town och Barnet.
"Jag har alltid gillat Paul som spelare", sa Dons boss Karl Robinson.
Överföringen kommer officiellt att slutföras när Downings befintliga Walsall-affär löper ut på torsdag.
Downing var en av tre out-of-contract mainstays från förra säsongens misshandlade League One play-off semi-finalister att lämna klubben, efter att ha avvisat sina respektive erbjudanden.
Jason Demetriou undertecknade förra veckan för en annan League En sida Southend, medan Romaine Sawyers, är fortfarande kopplade till före detta Saddlers chef Dean Smith på Championship sidan Brentford.
Hitta alla de senaste fotbollsöverföringarna på vår dedikerade sida.
MK Dons har undertecknat ett tvåårigt avtal med Paul Downing efter att han avslog ett nytt kontraktserbjudande från League One rivaler Walsall.