En 2001 Dayana firmó con la agencia de modelos Elite y desfiló en España, Italia, Francia, Estados Unidos, Inglaterra, Grecia y Alemaniapara Versace, Roberto Cavalli y otros diseñadores.
Miss Venezuela
Fue la representante del estado Amazonas en el concurso Miss Venezuela 2007, donde obtuvo las bandas de Miss Integral y fue coronada el 13 de septiembre de 2007 como la quincuagésimaquinta (55ª) Miss Venezuela, siendo, por tanto, la segunda Miss Venezuela que gana representando al estado Amazonas.
Miss Universo
El 14 de julio de 2008, Dayana obtuvo el título Miss Universo 2008, durante el certamen que se realizó en Nha Trang, Vietnam. Con este triunfo, Venezuela iguala en el segundo puesto a Puerto Rico en el número de coronas obtenidas como país.En el certamen Miss Universo 2008 explicó que sus gustos eran el "diseño, fotografía, publicidad y surf". En la etapa de preguntas a las concursantes ella respondió que la diferencia entre hombres y mujeres era que "los hombres piensan que la manera más rápida de ir a un punto es ir derecho, mientras que las mujeres saben que la manera más rápida de ir a un punto es siguiendo las curvas".Finalmente fue coronada con una tiara de 120.000 dólares tras una final con claro acento latinoamericano: los puestos segundo y tercero correspondieron a Miss Colombia, Taliana Vargas, y a Miss República Dominicana, Marianne Cruz González;y el quinto a Miss México, Elisa Nájera. Además de obtener variados premios en efectivo y en género, Mendoza pasará su reinado recorriendo el mundo para dar conferencias sobre cuestiones humanitarias para recoger fondos para promover la educación para luchar contra la enfermedad del sida-VIH.
Como embajadora de la belleza universal, Mendoza tuvo la oportunidad, además de realizar numerosos viajes y atender diversos compromisos alrededor de los Estados Unidos, de visitar a los Guardacostas de los Estados Unidos (USCG), en Ciudad Ho Chi Minh, Vietnam, y luego viajar aIndonesia, donde hizo apariciones en la televisión local, además de visitar Jakarta, los templos de Borobudur y la isla de Bali. Seguidamente viajó a su país Venezuela, donde fue recibida por una multitud de 13,000 personas en el Poliedro de Caracas, en medio de festejos que se prolongan durante una semana. Después Mendoza visita Singapur, para asistir al Gran Premio de Singapur de la Fórmula 1 y también Puerto Rico donde participa como jurado en la elección de Miss Puerto Rico y visita el Hospital de Niños de San Jorge, en San Juan.
En Noviembre regresa a Venezuela para participar de la Feria de La Chinita en Maracaibo y viaja a España e Italia, donde es entrevistada en distintos programas de televisión. En Cannes, Francia fue invitada a los premios Five Star Diamond. Como vocera de la prevención del VIH/sida viajó a Nicaragua y El Salvador en medio de la campaña "Hombres de verdad" de la Organización Panamericana de Mercadeo Social (PASMO), en la cual se pretende involucrar activamente a los hombres centroamericanos en la lucha contra la enfermedad.
Entre Febrero y Marzo de 2009, Mendoza realiza una gira por países de Europa Oriental, entre los que se encuentran Ucrania, República Checa yRusia donde sostuvo un encuentro con la Miss Mundo reinante, Ksenia Sukhinova para coronar a Miss Rusia en Moscú. En las Bahamasparticipó en la Conferencia de Prensa en la que el archipiélago fue anunciado como la sede oficial del certamen Miss Universo 2009. Posteriormente viajó —por segunda ocasión— a Puerto Rico, donde realizó una visita oficial al Gobernador de la isla, Luis Fortuño, en el Palacio de Santa Catalina, además del Hospital Auxilio Mutuo y el torneo de Golf Puerto Rico Open.
A comienzos de mayo de 2009 viaja a Dubái, en los Emiratos Árabes Unidos y a São Paulo, Brasil, a la coronación de Miss Brasil 2009, al igual que asiste a la República Dominicana, Bolivia y Argentina a los concursos donde fueron electas las representantes de esos países.En Junio de 2009 viaja de vacaciones con su familia al sur de Francia, luego regresa a las Bahamas como parte de un viaje promocional del certamenMiss Universo 2009 y finaliza el mes en Rumanía, al este de Europa, donde además de realizar una Conferencia de Prensa con los medios rumanos, participa en un baile junto a un Ballet Folclórico en un programa de Televisión de ese país. También corona a Miss Rumanía en Bucarest.Dayana ha realizado entrevistas para CNN en español y Venevisión. En el año 2009 fue nombrada entre las 50 más bellas de la revista People.Dayana, sobrevivió a un secuestro en 2007 y declaró que el trauma le enseñó a mantener la calma bajo presión.El 5 de agosto de 2008 se dieron a conocer imágenes donde aparece en un desnudo artístico como parte de una campaña publicitaria de un catálogo de una joyería y una óptica, sin que esto afectara su contrato como Miss Universo El 23 de agosto de 2009, Al finalizar la velada de la 58º edición del Miss Universo realizado en Bahamas Dayana Mendoza, Miss Universo 2008 de Venezuela entregó la corona aStefanía Fernández también de Venezuela. Es la primera ocasión, en 58 años de historia del concurso que la corona queda en manos del mismo país.
Visita a la Bahía de Guantánamo
Entre el 20 y 25 de marzo del 2009 y acompañada de la Miss Estados Unidos, Crystle Stewart, visitó la Base Naval en la Bahía de Guantánamo, al sur de Cuba y a su regreso comentó lo siguiente:
"No quería irme, fue un lugar tan relajante, tan tranquilo y hermoso", "Fue muy divertido!", "Visitamos los campos de los detenidos y vimos las celdas, las duchas, cómo se entretienen con películas, clases de arte, libros. Fue todo muy interesante"Esto trajo como consecuencia la condenación masiva a través de Internet, especialmente a través de blogs de opinión, que ridiculizaron tales comentarios. En su país de origen, Venezuela, el comentario también genero bastante de que hablar, con el presidente Hugo Chávez a la cabeza, afirmando que podría reconsiderar los elogios que le había brindado previamente La Organización Miss Universo salió en defensa de sus declaraciones alegando que la visita de Mendoza y Stewart formó parte, "del programa de entretenimiento de la USO, lo que aumenta la moral de las tropas de los EE.UU... Mendoza hizo referencia en su blog a la hospitalidad que recibió por parte de los miembros militares de los EE.UU. y sus familias que se encuentran estacionados en Guantánamo". Poco después, los comentarios fueron retirados del blog.
