Diane Ernestine Earle Ross nació el 26 de marzo de 1944 en Detroit, Míchigan, hija de Ernestine Earle Ross y Fred Ross. Era la segunda de seis hermanos. La familia vivía en los complejos de vivienda social Brewster-Douglass. Interesada en la música desde muy temprana edad, Ross participó en el coro de la Iglesia Bautista Olivet. Aspiraba a una carrera en el diseño de moda y fue elegida la chica mejor vestida en su último año de la Preparatoria Técnica Cass, en el centro de Detroit.

En 1959, con el apoyo de su vecina y compañera de clase Mary Wilson, Ross se unió al grupo vocal femenino The Primettes, del que también formaban parte Florence Ballard y Betty McGlown. Ross cantó con las Primettes durante toda su etapa de preparatoria. Al mismo tiempo, Motown Records, fundada en Detroit por Berry Gordy, Jr., en 1960, se estaba convirtiendo en una figura clave de la industria musical. Smokey Robinson, cantante principal de los Miracles y vicepresidente de Motown, presentó a las Primettes a Gordy. Al graduarse de la preparatoria, Ross, Ballard y Wilson firmaron un contrato con Motown. Al dejar de ser un cuarteto, el grupo adoptó el nombre de The Supremes.

The Supremes se convirtieron rápidamente en uno de los grupos vocales estadounidenses más exitosos de la década de 1960. En 1964 y 1965, el grupo grabó seis éxitos que alcanzaron el primer lugar: «Where Did Our Love Go?», «Baby Love», «Come See About Me», «Stop! In the Name of Love», «Back in My Arms Again» y «I Hear a Symphony». Ballard fue reemplazada por Cindy Birdsong en 1967, y las Supremes terminaron grabando un total de doce sencillos número uno. Ross se convirtió gradualmente en la cantante principal del grupo, y para 1969 ya se presentaban como Diana Ross y las Supremes. Poco después, Ross se retiró del grupo para iniciar su carrera como solista. Su última presentación con las Supremes fue en el Hotel Frontier de Las Vegas el 14 de enero de 1970.

El primer álbum solista de Ross, Diana Ross, fue lanzado en 1970 por Motown. El álbum incluía su primer sencillo pop número uno como solista, «Ain’t No Mountain High Enough». Ese mismo año, Motown lanzó el segundo álbum de Ross, Everything Is Everything, y ella presentó su primer especial de televisión como solista, Diana!. Motown Records, que se había trasladado a Hollywood, se enfocó en convertir a Ross en su primera estrella de cine con Lady Sings the Blues (1972), basada en la vida de la famosa cantante de jazz Billie Holiday. La película fue un éxito tanto de crítica como de taquilla, y Ross fue nominada al Premio de la Academia a la Mejor Actriz. En 1972, poco después de filmar Lady Sings the Blues, Ross grabó un álbum íntegramente de jazz titulado Blue, que Motown Records no lanzó. El sello instó a Ross a aprovechar su éxito con la música pop en su lugar.

En 1975, Ross protagonizó la película de Motown Mahogany, la historia de una aspirante a diseñadora de moda. Cumplió su sueño de la infancia al diseñar muchos de sus trajes para la película. Aunque fue un éxito de taquilla, la película no fue bien recibida por la crítica. Ross lanzó varios sencillos que alcanzaron el primer lugar en 1975 y 1976, entre ellos «Theme from Mahogany (Do You Know Where You’re Going To)» y el sencillo disco «Love Hangover». En 1977, Ross recibió un Premio Tony Especial por su espectáculo unipersonal, An Evening with Diana Ross. Ese mismo año, Motown adquirió los derechos cinematográficos de la popular obra de Broadway The Wiz. En ese momento, The Wiz (1978) de Motown era el musical cinematográfico más caro jamás realizado. También fue la última película de Ross para Motown. Aunque la película recibió críticas mixtas, el álbum de la banda sonora vendió más de 850 000 copias en su lanzamiento inicial. En 1979, Ross grabó su primer álbum de oro, The Boss, seguido de su primer álbum de platino, Diana, en 1980. Al año siguiente, «Endless Love», el dueto de Ross con Lionel Richie de la banda sonora de la película Endless Love (1981), alcanzó el puesto número uno en la lista Billboard Hot 100 y fue nominado a un Premio de la Academia. La canción vendió más de dos millones de copias y fue el primer sencillo de platino de Ross.

Ross dejó Motown y firmó con RCA Records en 1981. Su debut con RCA Records, el álbum platino Why Do Fools Fall in Love, salió a la venta en octubre de ese año. El 21 de julio de 1983, Ross realizó un concierto benéfico en Central Park para recaudar fondos para el Diana Ross Playground, que se construyó tres años después. Grabó varios sencillos exitosos y álbumes de oro a mediados de la década de 1980, pero sus ventas discográficas comenzaron a disminuir en Estados Unidos hacia finales de la década. Sin embargo, su popularidad en Europa se mantuvo sólida y, en 1993, Ross fue nombrada la cantante femenina más exitosa de la historia (en ese momento) por el Libro Guinness de los Récords. De 1989 a 2002, Ross regresó a Motown como socia con participación en el capital y artista discográfica, logrando algunas entradas modestas en las listas de éxitos en la década de los noventa.

En el 2000, Ross organizó una gira anunciada como «The Supremes», aunque Wilson y Birdsong no formaban parte del elenco, lo que generó críticas negativas en la prensa y una baja asistencia. Ross también tuvo problemas en su vida personal; fue arrestada en el 2002 por conducir en estado de ebriedad y cumplió dos días de cárcel tras ser condenada en el 2004. La década de los 2000 también trajo consigo muchos relanzamientos de los álbumes solistas anteriores de Ross, a menudo con versiones extendidas de las canciones. Everything Is Everything, Surrender (1971) y Touch Me in the Morning (1973) se encontraban entre los títulos relanzados, mientras que Blue, que había quedado archivado tras su grabación en 1972, salió al mercado en 2006. Ross también grabó I Love You, una colección de canciones de amor inspiradas en fotografías familiares, en 2006.

En 2008, Ross participó como oradora invitada en la serie de conferencias Brilliant Lecture Series, con sede en Houston, Texas, y ofreció numerosos conciertos por todo Estados Unidos y Europa a finales de la década de los 2000, incluido el evento musical anual holandés Symphonica in Rosso en 2009.

Volvió a ser noticia en 2009 cuando se supo que su colega superestrella y antiguo colaborador, Michael Jackson, la había nombrado tutora de sus hijos. Continuó de gira y actuando durante las décadas de 2010 y 2020, incluyendo temporadas fijas en Las Vegas, Nevada. En 2012, se presentó ante el presidente Barack Obama en la Casa Blanca, a pesar de tener un tobillo fracturado. En 2015, Motown lanzó su álbum Sings Songs from The Wiz, que incluye las grabaciones de Ross de canciones de la versión cinematográfica de The Wiz, grabadas originalmente en 1978 pero que nunca se habían publicado. Su vigésimo quinto álbum de estudio, Thank You, salió a la venta en 2021. Siguió realizando giras de forma activa en 2024 y 2025.

A lo largo de su carrera, Ross recibió numerosos reconocimientos musicales, entre ellos trece nominaciones a los premios Grammy, así como nominaciones a los Globos de Oro y a los Premios de la Academia por su interpretación de Billie Holiday en Lady Sings the Blues. En 1976, la revista Billboard la nombró la Artista Femenina del Siglo, y en 1988 fue incluida en el Salón de la Fama del Rock and Roll junto con The Supremes. En 1993, el Libro Guinness de los Récords declaró a Ross la artista musical femenina más exitosa de la historia, con un total de dieciocho sencillos número uno en Estados Unidos: doce con The Supremes y seis como solista. También es una de las pocas celebridades que cuenta con dos estrellas en el Paseo de la Fama de Hollywood: una como solista y otra como miembro de The Supremes. Ross recibió un Premio a la Trayectoria en los Premios de la Black Entertainment Television (BET) de 2007 y fue galardonada con un Premio del Centro Kennedy. En 2012, se le otorgó un Premio Grammy a la Trayectoria; en 2016, el presidente Barack Obama le otorgó la Medalla Presidencial de la Libertad; y en 2017, recibió un Premio a la Trayectoria de los American Music Awards. The Supremes recibieron un Premio Grammy a la Trayectoria en 2023, lo que convirtió a Ross en la primera mujer en recibir ese honor en dos ocasiones.