Filha de Alarico Silveira, advogado, homem público e autor de uma Enciclopédia brasileira, e de Dinorah Ribeiro Silveira, de quem ficou órfã muito pequena. Quem lê Floradas na serra, seu livro de estréia (1939), tem sua atenção despertada por aquela cena em que, ao morrer, um personagem, não querendo contaminar a filha pequena, despede-se dela, à distância, e pede que retirem a fita que prendia o cabelo da menina para beijá-la. A cena se passou na realidade com a escritora. Dona Dinorah veio a falecer aos vinte e poucos anos, deixando duas filhas: Helena e Dinah.
Com a morte da mãe, cada uma das irmãs foi para casa de uma parenta. Dinah foi morar com sua tia-avó Zelinda, que tanto influiria em sua formação. Datam desses tempos as temporadas na fazenda em São José do Rio Pardo, na Mogiana. Nas freqüentes visitas que o pai fazia à filha, havia sempre tempo para os livros, quando ele lia, em voz alta, as narrativas de H. G. Wells. As passagens da Guerra dos mundos causariam grande impressão no espírito da menina, assim com os escritos de Camille Flamarion a respeito de astronomia.
Dinah Silveira de Queiroz estudou no Colégio Les Oiseaux, em São Paulo, onde com a irmã Helena colaborou assiduamente no Livro de Ouro, vindo “por motivo de doença de Helena”, como sempre assegurou, a ficar, afinal, com seu troféu literário de menina. Casou-se aos 19 anos com Narcélio de Queiróz, advogado e estudioso de Montaigne, que teria grande influência nas leituras da mulher e a levaria a descobrir a vocação de escritora. Teve duas filhas: Zelinda e Léa. Em 1961, a romancista enviuvou e, no ano seguinte, casou-se com o diplomata Dário Moreira de Castro Alves.
Seu primeiro trabalho literário recebeu o título de Pecado, seguido da novela A sereia verde, publicado pela Revista do Brasil, dirigida por Otávio Tarquínio de Sousa. Seu grande sucesso viria em 1939, com o romance Floradas na serra, contemplado com o Prêmio Antônio de Alcântara Machado (1940), da Academia Paulista de Letras, e transposto para o cinema em 1955. Em 1941, publicou o volume de contos A sereia verde, voltando ao romance em 1949, quando publicou Margarida la Rocque, e em 1954, com o romance A muralha, em homenagem às festas do IV Centenário da fundação de São Paulo.
Ainda em 54, a Academia Brasileira de Letras lhe conferiu o Prêmio Machado de Assis, pelo conjunto de sua obra. Em 1956, fez uma incursão no teatro com a peça bíblica O oitavo dia. No ano seguinte, publicou o volume de contos As noites do morro do encanto, que fora laureado com o Prêmio Afonso Arinos da Academia Brasileira de Letras (1950). Em 1960, publicou outro volume de contos, Eles herdarão a terra, no qual já manifestava seu interesse pela ficção científica, que irá expressar-se melhor em Comba Malina (1969). Em ambos, prevalece a narrativa vazada dentro do chamado realismo fantástico.
Em 1962 foi nomeada Adido Cultural da Embaixada do Brasil em Madri. Após o casamento com o diplomata Dário Moreira de Castro Alves, seguiu com o marido para Moscou. Permaneceu na União Soviética quase dois anos, escrevendo artigos e crônicas, que eram veiculados na Rádio Nacional, na Rádio Ministério da Educação e no Jornal do Commercio. A ausência do Brasil criou em Dinah Silveira de Queiroz a necessidade de uma contribuição à vida brasileira, à qual concorria com suas crônicas diárias, mais tarde recolhidas no livro de crônicas Café da manha (1969), e ainda em Quadrante I e Quadrante II.
De volta ao Brasil, em 1964, escreveu Os invasores, romance histórico em comemoração do IV Centenário da fundação da Cidade do Rio de Janeiro. Em 1966, partiu novamente para a Europa, fixando-se em Roma. Na capital italiana continuou a escrever crônicas e manteve um programa semanal na Rádio do Vaticano. Publicou a biografia da Princesa Isabel, A princesa dos escravos, e Verão dos infiéis, romance inspirado nas palavras do Papa Paulo VI ao falar perante a Assembléia da Organização das Nações Unidas, em 1965. Essa obra recebeu o prêmio de ficção Prefeitura do Distrito Federal em 1969, quando comemorava a escritora trinta anos de literatura.
Em novembro de 1974, iniciou a publicação do Memorial do Cristo, cujo primeiro volume se intitula Eu venho, seguido, em 1977, do segundo volume, Eu, Jesus. A eleição de Dinah Silveira de Queiroz, a segunda mulher a entrar para a Academia Brasileira de Letras, em 1980, foi a consagração de uma escritora vinda de uma das famílias brasileiras mais voltadas às letras. Além do pai, Alarico Silveira, nela figuram os nomes de Valdomiro Silveira, um dos fundadores da nossa literatura regional; Agenor Silveira, poeta e filólogo; Helena Silveira, contista, cronista e romancista; Miroel Silveira, contista e teatrólogo; Isa Silveira Leal, novelista; Breno Silveira, tradutor; Cid Silveira, poeta; e Ênio Silveira, editor.
A escritora viveu os últimos anos em Lisboa, Portugal, onde o embaixador Dário de Castro Alves chefiava a representação diplomática do Brasil. Lá escreveu seu último romance, Guida, caríssima Guida, publicado em 1981.