Đỗ Hoàng Diệu sinh năm 1976 trong một gia đình nhà giáo nghèo ở nông thôn, tỉnh Thanh Hóa. Bố cô là nhà giáo, nhà văn Đỗ Văn Phác.

Đỗ Hoàng Diệu là cựu sinh viên chuyên Văn trường Lam Sơn, Thanh Hóa.

Năm 1992, cô nhập học Đại học Luật Hà Nội, khoa Luật Quốc tế.

Năm 1998, tốt nghiệp Đại học Luật Hà Nội.

Năm 2004, cô theo học Nghiệp vụ Luật sư tại Học viện Tư pháp.

Năm 2006, cô kết hôn với nhà sử học người Mỹ, anh hiện là Giáo sư đại học tại Mỹ.

Đỗ Hoàng Diệu hiện đang sinh sống và làm việc tại Mỹ cùng chồng và hai con.