Doornbos harrasti alun perin tennistä, mutta vuoden 1998 Belgian osakilpailun seuraamisen jälkeen päätti ryhtyä pikaisella aikataululla kilpa-ajajaksi. Britannian Vauxhall-Lotus -talvisarjan toisen sijan ja muutaman vuoden 2000 Formula Fordin myötä hän oli heti seuraavana vuonna Formula 3-sarjoissa, jossa ajoi vuosien 2001–2003 aikana kaksi voittoa. Vuosina 2002–2003 Doornbos ajoi kolmesti palkintosijoille Lausitzilla, Hockenheimilla ja Magny-Coursilla järjestetyissä kilpailuissa. Vuonna 2004 Doornbos kilpaili F3000 -sarjassa ajamalla avauskilpailussaan San Marinon osakilpailussa palkintokorokkeelle, voittaen Belgian osakilpailun ja sijoittuen sarjan kolmanneksi. Vuosina 2004–2005 hän toimi myös Formula 1 -talli Jordanin kolmoskuljettajana.