Detroitban született egy tisztes körülmények között élő család hat gyermeke közül másodikként. Édesanyja a Diane nevet akarta neki adni, de a nevet rosszul írták le, így lett belőle Diana. Tizenévesként két iskolatársnője társaságában alakította meg a The Primettes elnevezésű formációt, amely néhány név- és személycsere után The Supremes néven futott be üstökösszerű pályát. (A Primettes-nek volt egy férfi párja is, a Primes, ami idővel The Temptations néven lett népszerű.) Diana Ross, Mary Wilson és Florence Ballard énekegyüttesének első nagy sikere 1964-ben a Motown kiadó által megjelentetett Where Did Our Love Go volt, amelyet még tucatnyi listavezető dal követett, köztük a Baby Love, a Come See About Me, a Stop! In the Name of Love és a Someday We Will Be Together. Ross 1965-től volt hivatalosan is szólóénekese a triónak, amely 1967-től viselte a Diana Ross and the Supremes nevet.
Az együttest otthagyva 1969-ben szóló pályafutásba kezdett, névjegyét két listavezető dallal – Reach Out and Touch (Somebody’s Hand) és Ain’t No Mountain High Enough – tette le. Az ezt követő időszakban további nyolc dalt röpített a csúcsra Amerikában, jó néhányat Angliában és másutt Európában is. Először 1972-ben szerepelt filmvásznon, a tragikus sorsú fekete énekesnő, Billie Holiday életéről készült Lady Sings the Blues című drámában kapott főszerepet, és rögtön Oscar-díjra jelölték a legjobb női főszereplő kategóriában, a Golden Globe-díjat pedig el is nyerte. A film zenéje ugyancsak hatalmas siker lett, újra felkeltette az érdeklődést a valaha élt egyik legnagyobb bluesénekesnő iránt. Ezután több filmben szerepelt: 1975-ben a Mahogany, 1978-ban a The Wiz (az Óz, a nagy varázsló afroamerikai zenés változata) című művekben aratott sikert.
Az 1980-as évtized is jól indult számára: az Upside Down ötödik listavezető dala lett, az ezt tartalmazó Diana című albuma pedig egész pályafutásának legsikeresebb lemeze – az R&B, a soul, a funky és a diszkó elemeit vegyítő album, amely az új nemzedéket is megcélozta, egy teljes évet töltött a listán. Ezt követte az Endless Love című, Lionel Richie társaságában előadott duett; a sikert meglovagolva 1980-ban otthagyta a Motownt, és akkor rekordnak számító, húszmillió dolláros szerződést kötött az RCA kiadóval. Következő albumai is sorra „bearanyozódtak”. Az 1982-es korongon szereplő Muscles szerzője Michael Jackson volt, aki nagyon közel állt az énekesnőhöz, szinte anyjának tekintette, és végrendeletében saját anyja után őt nevezte meg gyermekei gyámjául. 1982-ben az amerikaifutball-bajnokság döntője, a Super Bowl előtt Ross énekelhette az amerikai himnuszt, 1983-ban ingyenes, világszerte közvetített koncertet adott a New York-i Central Parkban, amelyet meg is kellett ismételni, mert az első napi fellépés egy vihar miatt félbeszakadt. 1984-ben Julio Iglesiasszal énekelt duettet All of You címmel, ugyanebben az évben megint vezette a listát a soul óriása, Marvin Gaye emlékének szentelt Missing You-val, és ott volt a We Are The World című jótékonysági lemez felvételén is.
A nyolcvanas évek végére háttérbe szorult, de 1991-ben a The Force Behind the Power új színt hozott zenei repertoárjába, igaz, a korong inkább Angliában fogyott jól. Az évtized közepén ismét a kamerák elé állt, az Out of Darkness című tévéfilmben egy szkizofrén nőt játszott, majd 1999-ben a Double Platinumban egy híres énekesnőt alakított, aki magára hagyta lányát karrierje miatt. Eközben folyamatosan koncertezett, a kilencvenes évek derekán Budapesten is fellépett José Carreras, Plácido Domingo és Rost Andrea társaságában.
1988-ban bebocsátást nyert a Rock and Roll Hírességek Csarnokába, 1993-ban a Guinness-rekordok Könyve őt minősítette minden idők legsikeresebb énekesnőjének, 1996-ban a Billboard magazin az évszázad előadóművészének nevezte. 2012-ben és 2023-ban Grammy-életműdíjjal jutalmazták, utóbbit a Supremes tagjaként vehette át. A legrangosabb zenei kitüntetésre egyébként 1964 és 1982 között tizenkétszer jelölték, de soha nem kapta meg. 2016-ban átvehette a polgári személyeknek adható legmagasabb amerikai kitüntetést, az elnöki Szabadság érdemrendet.
Diana Ross ragyogó pályafutásának volt sötétebb oldala is, küzdött depresszióval, drog- és alkoholproblémákkal. Miután 2002-ben rövid időre rács mögé került – ittasan vezetett a forgalommal szemben –, egy évet töltött elvonókúrán. 2005-ben Rod Stewarttal énekelt duettet, az I’ve Got a Crush on You révén 2000 óta először tűnt fel a slágerlistákon. 2010-ben hosszú idő után újra koncertkörútra indult, a turnét Michael Jackson emlékének ajánlotta. Az énekesnő még a nyolcvanhoz közel sem pihen: 2022-ben az angliai Glastonbury Fesztiválon lépett fel, tavaly nyáron ismét turnéra indult, amely októberben a londoni Albert Hallban adott koncerttel zárult.
Saját állítása szerint háromszor volt szerelmes, a legmélyebb kapcsolat második férjéhez, a norvég hajómágnás Arne Naesshez fűzte, aki hegymászóbalesetben vesztette életét. Két házasságából öt gyermeke született, és már hét unokája is van.
A rocktörténet egyik legnagyobb hatású énekesnőjének életéről számos könyvet írtak, a Supremes együttesben töltött időszakán alapul a Dreamgirls című, több Oscar-díjjal kitüntetett film, és azon kevesek egyike, akinek két csillaga is van a hollywoodi Hírességek sétányán.
