1932. január 16-án született San Franciscóban. Mostohaapja akaratával dacolva középiskola után nem üzleti pályára lépett, hanem a Kaliforniai Egyetemen kezdett biológiai és állatorvosi tanulmányokba, egyetemi évei alatt gyári munkásként és laboránsként tartotta el magát. Egy idő után a fizikával és kémiával meggyűlt a baja, így átjelentkezett a San José Állami Egyetemre, ahol 1954-ben gyógytornászként diplomázott.

Egy helyi gyermekkórházban kezdett el dolgozni, közben rendszeresen járt Louis Leakey antropológus óráira. 1963-ban, a házára felvett hitelből utazott először Kelet-Afrikába, s a gorillákkal való találkozás meghatározó élményt jelentett számára. Leakey támogatásával három év múlva ismét Afrikába ment, hogy a ritka, veszélyeztetett majmokat tanulmányozza és a National Geographic Society megbízásából létrehozza a Karisoke Kutatóközpontot. Terepen végett munkáját Kongóban kezdte meg, a zavaros helyi viszonyok miatt 1967-ben Ruandába, a Virunga és Karisimbi vulkánok közti hegyvidékre költözött át.

Fossey minden idejét a gorillák életmódjának, szociális viszonyainak megismerésének szentelte, csaknem 18 évet élt közöttük. Kezdetben tisztes távolból figyelte az állatokat, eltanulta gesztusaikat, hangjaikat, sajátos etikettjüket, csak ült és figyelt. Aztán egyre közelebb húzódott, s végül bekövetkezett az áttörés, az egyik gorilla önként megérintette Fossey kezét. A bennszülöttek által csak "az erdő magányos asszonyaként" emlegetett kutató tapasztalataiból feljegyzéseket készített, amelyeket az 1983-as Gorillák a ködben című könyvében összegezett.

Munkájára akkor irányult rá a figyelem, amikor 1970 januárjában a National Geographic Magazin címlapján az ő fotója jelent meg, amint egy gorillával ölelik egymást. A róla szóló cikket pedig egy olyan kép illusztrálta, amelyen a Peanuts nevű gorilla megérinti Fossey kezét, mindez eloszlatta azt a köznapi mítoszt, hogy ezek a főemlősök veszélyes vadállatok. Fossey ismertségét a végveszélyben lévő hegyi gorillák megmentésére akarta felhasználni, s többször keveredett összetűzésbe a helyi orvvadászokkal és a kormánnyal is, amelyet azzal vádolt, hogy összejátszik a vadorzókkal.

Azon a véleményen volt, hogy az állatoknak emberek szórakoztatása céljából történő "börtönben" (állatkertben) tartása etikátlan cselekedet. Egy ízben megakadályozta két sebesülten elfogott fiatal gorilla átszállítását a Kölni Állatkertbe, s miután gondjaira bízták az állatokat, meggyógyította őket. A gorillákat ezután szállították Kölnbe, ahol kilenc évig éltek fogságban, majd mindketten ugyanabban a hónapban pusztultak el.

Fossey 1976-ban doktorált a Cambridge-i Egyetemen A hegyi gorillák című dolgozatával, a nyolcvanas évek elején professzorként a Cornell Egyetemen tartott előadásokat. Amikor kedvenc gorilláját, Digitet orvvadászok kegyetlenül lefejezték, létrehozta a Digit Alapítványt, amelynek célja források előteremtése volt az orvvadászok elleni őrjáratok megszervezésére.

Fosseyt - máig tisztázatlan körülmények között - 1985. december 26-án meggyilkolták. A gyilkosságot egy orvvadászok által is használt bozótvágó késsel követték el, a tettesek sem pénzt, sem értéktárgyat nem vittek magukkal. Az ügyet soha nem sikerült megnyugtatóan tisztázni, a ruandai hatóságok időközben Amerikába távozott asszisztensét vádolták és ítélték el, aki tagadta bűnösségét, sokan úgy gondolják, hogy a tudóssal orvvadászok végeztek, mert zavarta őket állatvédő tevékenysége.

Fosseyt kedves gorillái között, a ruandai Karisoke Kutatóközpont területén temették el, a sírjára ezt írták: "Senki sem szerette jobban a gorillákat". Halála után a Digit Alapítványt Dian Fossey Nemzetközi Gorilla Alapítvánnyá nevezték át, amely a mai napig küzd a gorillákért. Életéről több könyvet írtak, készült róla opera, dokumentumfilm és tévéjáték is. A legnagyobb sikert a Sigourney Weaver főszereplésével 1988-ban forgatott, Gorillák a ködben című film aratta, a színésznő alakításáért Golden Globe-díjat kapott. Halálának huszadik évfordulóján jelent meg a barátainak és családjának írt leveleiből összeállított, Senki sem szerette a gorillákat című könyv.