Diana J. Gabaldon nació el 11 de enero de 1952, en Arizona, hija de Jacqueline Sykes y Tony Gabaldon (1931-1998), senador del Estado de Arizona durante dieciséis años, y luego supervisor del condado de Coconino. Su padre era de ascendencia mexicana, y su madre de ascendencia inglesa.
Gabaldon creció en Flagstaff, Arizona. Obtuvo una licenciatura en ciencias en zoología de Northern Arizona University, 1970-1973; una maestría en ciencias en biología marina de la Universidad de California, San Diego, Scripps Institution of Oceanography, 1973-1975; y un doctorado en ecología del comportamiento de Northern Arizona University, 1975-1978.
Gabaldon fue editora fundadora de Science Software Quarterly en 1984 mientras trabajaba en el Centro de Estudios Ambientales en la Universidad Estatal de Arizona. A mediados de la década de 1980, escribió reseñas de software y artículos técnicos para publicaciones informáticas, así como artículos de divulgación científica y cómics para Walt Disney Company. Fue profesora con experiencia en computación científica en ASU durante 12 años antes de dedicarse a escribir a tiempo completo.
En 1988, decidió escribir una novela para "practicar, sólo para aprender cómo" y sin intención de mostrársela a nadie. Como profesora de investigación, decidió que una novela histórica sería más fácil de investigar y escribir, pero no tenía antecedentes en la historia y, en principio, no tenía un período de tiempo particular en mente. Por esa época vio un episodio de la serie de ciencia ficción Doctor Who, titulada "The War Games". Uno de los compañeros del Doctor era un escocés de alrededor de 1745, un joven de unos 17 años llamado Jamie McCrimmon, que proporcionó la inspiración inicial para su personaje principal, James Fraser, y para el escenario escocés de su novela de mediados del siglo XVIII.
Gabaldon decidió escoger "una mujer inglesa para jugar contra todos estos escoceses en pollera", pero su personaje femenino "se hizo cargo de la historia y comenzó a contarla ella misma, haciendo comentarios modernos y astutos sobre todo". Para explicar el comportamiento y las actitudes modernas del personaje, Gabaldon optó por usar el viaje en el tiempo. Al escribir la novela en un momento "cuando la World Wide Web no existía", ella hizo su investigación "a la vieja usanza, sola, a través de libros".
Más tarde publicó un breve extracto de su novela en el Foro Literario CompuServe, donde el autor John E. Stith la presentó al agente literario Perry Knowlton. Knowlton la representó basándose en una primera novela sin terminar, tentativamente titulada Cross Stitch. Su primer contrato fue para una trilogía, esta primera novela más dos secuelas no escritas. Sus editores estadounidenses cambiaron el título del primer libro a Outlander, pero el título permaneció sin cambios en el Reino Unido. Según Gabaldon, a sus editores británicos les gustó el título Cross Stitch, una obra de teatro sobre "un punto en el tiempo"; sin embargo, el editor estadounidense dijo que "sonaba demasiado a un bordado" y que quería un título más "aventurero". Cuando terminó su segundo libro, Gabaldon renunció a su puesto de docente en la Universidad Estatal de Arizona para convertirse en escritora a tiempo completo.
A partir de 2014, la serie Outlander comprende ocho novelas publicadas. La octava entrega, Written in My Own Heart's Blood, fue lanzada el 10 de junio de 2014. Gabaldon también publicó The Exile (An Outlander Graphic Novel) (2010). La serie de Lord John es un spin-off de los libros de Outlander, centrado en un personaje secundario de la serie original.
En la actualidad, Gabaldon vive en Scottsdale, Arizona, con su esposo Doug Watkins, con quien tiene tres hijos adultos: Laura, Jenny y el autor de fantasía Sam Sykes.