Diễm Liên tên thật là Đinh Diễm Liên. Cô sinh năm 1971 tại Đà Lạt trong một gia đình 5 chị em gái đều mang tên Liên: Quỳnh Liên, Phượng Liên, Diễm Liên, Thảo Liên, Mai Liên. Mẹ cô cũng tên là Thu Liên. Cha cô là một nhà báo, sau 1975 từng đi học tập cải tạo trong 13 năm.
Từ khi còn ở Việt Nam, Diễm Liên đã bắt đầu tham gia ca hát. Qua chị gái là Quỳnh Liên, nhạc sĩ Tùng Giang đã phát hiện ra cô trong một lần đi hát tại vũ trường ở Đà Lạt. Năm 1991, Diễm Liên cùng gia đình sang Hoa Kỳ định cư theo diện HO. Vào năm 1992, khi đang ở California, Diễm Liên gặp lại Tùng Giang. Sự nghiệp âm nhạc của cô bắt đầu khi được Tùng Giang đưa tới hát ở vũ trường Ritz của nhạc sĩ Ngọc Chánh. Lúc ấy, vì chưa đủ 21 tuổi để có thể đi hát ở vũ trường, Diễm Liên phải mượn căn cước của chị mình. Sau đó Diễm Liên cộng tác cùng Trung tâm Mây trong các chương trình Hollywood night. Trung tâm Thúy Nga mời cô trong các chương trình Paris By Night, tên tuổi của cô được thực sư biết đến với ca khúc Con Yêu.
Năm 1999, Diễm Liên thành hôn với một sĩ quan gốc Việt của Quân đội Hoa Kỳ và có một con trai. Sau một thời gian vắng bóng, Diễm Liên trở lại ca hát như một nghệ sĩ độc lập và cộng tác với trung tâm Tình.
Năm 2001, Hội âm nhạc nghệ thuật Nam Cali mời cô hát trong một chương trình nhạc thính phòng, Diễm Liên đã trình bày ca khúc Cơn Mưa Phùn của Đức Huy. Rồi cô còn trình diễn cùng ca đoàn Ngàn Khơi với hai nhạc phẩm Nương Chiều và Người Tình Không Chân Dung. Sau đó Diễm Liên tiếp tục xuất hiện trong nhiều chương trình thính phòng khác. Cùng với Trần Thái Hòa, Ngọc Hạ… Diễm Liên là một trong những ca sĩ trẻ ở hải ngoại thành công với dòng nhạc này. Cô cộng tác với Trung tâm Asia với SBTN.
Mặc dù không được đào tạo về diễn xuất, Diễm Liên cũng có được những thành công trong lĩnh vực điện ảnh. Cô từng tham gia phim Dòng Đời Oan Trái của Nguyễn Dương trong vai cô gái mù tên Lượm. Tiếp đó, Diễm Liên diễn xuất trong Người trong mơ cũng của Nguyễn Dương. Trong bộ phim Vượt Sóng, sau khi vượt qua nhiều ứng viên, Diễm Liên đóng vai nữ chính bên cạnh nữ tài tử Kiều Chinh và tài tử kiêm nhà thơ Nguyễn Long (tác giả của ý thơ được Y Vân viết thành ca khúc Thôi),… Đến cuối năm 2017, cô cùng với Nguyễn Hoàng Nam tham gia bộ phim ca nhạc của trung tâm Asia có tên “Món quà yêu thương”. Đây cũng đánh dấu sự trở lại của Diễm Liên trong linh vực điện ảnh.
Đầu năm 2021, Diễm Liên có mặt trong chương trình ca nhạc tưởng niệm cố nhạc sĩ Lam Phương tổ chức tại tang lễ của nhạc sĩ.
Ngày 25 tháng 9 năm 2022, Diễm Liên tham gia đêm nhạc 40 Năm Tình Ca Trúc Hồ do nhạc sĩ Trúc Hồ.
