Den 19-årige netted på sin debut för Arsenal Ladies 2013 och gjorde 22 mål i sin första helsäsong med norra London klubben.
Humphrey är Belles sjätte signering efter deras befordran till Women's Super League One.
"Jag vill få lite mer erfarenhet och hjälpa laget göra så bra som vi kan", berättade hon klubbens webbplats.
Doncaster Rovers Belles har tecknat Arsenal Ladies' tonårige midfielder Carla Humphrey på lån.