Nació el 16 de enero de 1932 en Fairfax, California. Pasó una infancia desgraciada por la separación de sus padres cuando contaba apenas tres años de edad. Su padrastro le proporcionó maltrato psicológico.

Obtuvo su graduado en terapia laboral en el San Jose State College en 1954 y pasó varios años trabajando en un hospital infantil de Kentucky. Desde su llegada al centro se entregó por entero al cuidado de los niños discapacitados psíquicos, quienes parecían haberla escogido como principal compañera de juegos y comunicación. Sus métodos gestuales consiguieron mayor cercanía de lo habitual con estos críos tan necesitados de afecto.

Inspirada por las obras del zoólogo estadounidense George B. Schaller, Fossey visitó África en 1963. Allí observó a los gorilas de las montañas en su hábitat natural y visitó al antropólogo británico Louis Leakey. Éste, convencido de que la investigación de los grandes simios podría aportar información sobre el problema de la evolución humana, animó a Fossey a iniciar un largo estudio de campo de los gorilas. Se reveló como observadora ingeniosa y paciente del comportamiento de estos animales. Karisoke, su lugar de estudio, pasó a ser centro internacional de investigación sobre los gorilas cuando fundó el Centro de Investigación de Karisoke en 1967. Le concedieron en 1974 el grado de doctora en Zoología por la Universidad de Cambridge.

Cazadores furtivos se adentraron en el territorio de Virunga y Dian mantuvo entrevistas con las autoridades de la zona, tendió trampas a los furtivos y los persiguió denodadamente en compañía de algunos mal pagados guardas forestales. Mientras tanto, sus reportajes publicados en la revista National Geographic empezaron a concienciar a miles de personas. Su obra Gorilas en la niebla (1983) recoge las observaciones realizadas durante los años de estudios de campo.

Apareció muerta en su campamento el 26 de diciembre de 1985, fue hallada en su cabaña atacada a machetazos. Algunos expertos consideran que fue asesinada por el esfuerzo que desplegó con el fin de frenar la caza furtiva de gorilas y otros animales en África. Dian Fossey fue enterrada en el cementerio que había construido para gorilas cerca de su vivienda. Durante años, el misterio sobre su muerte permaneció anclado en el ostracismo, aunque por fin se supo que el autor del crimen había sido Protais Ziriganyirago, cuñado del presidente ruandés y capo de los furtivos que mataban gorilas. Su vida inspiró la película Gorilas en la Niebla, del mismo título que su libro.