Диана познакомилась с принцем во время благотворительного мероприятия, вышла замуж за него 29 июля 1981 года; к свадьбе было приковано большое внимание публики и СМИ. В 1982 и 1984 родились сыновья Дианы и Чарльза, принцы Уильям и Гарри (Генри) Уэльские, которые являются следующими в очереди наследования британской короны после своего отца. К середине 1990-х годов отношения между супругами расстроились, в частности, из-за продолжавшихся отношений Чарльза с Камиллой Паркер Боулз (впоследствии, после гибели Дианы, ставшей его второй женой). Сама Диана некоторое время была в близких отношениях со своим инструктором по верховой езде Джеймсом Хьюиттом, в чём призналась в 1995 году в телеинтервью (годом ранее Чарльз сделал аналогичное признание о связи с Камиллой). Брак распался в 1992 году, после чего супруги жили раздельно, и завершился разводом в 1996 году по инициативе королевы Елизаветы II.

Диана активно занималась благотворительной и миротворческой деятельностью (в частности, была активистом движения за прекращение производства противопехотных мин и борьбы со СПИДом). Была одной из самых популярных в мире женщин своего времени. В Великобритании всегда считалась самым популярным членом королевской семьи, её называли «королевой сердец» или «дамой червей» (англ. Queen of Hearts). В период её бракоразводного процесса с принцем Чарльзом симпатии общественного мнения были преимущественно на её стороне. Диана прославилась своей добротой и тем, что могла общаться с представителями разных слоев общества.

31 августа 1997 Диана погибла в Париже в автомобильной катастрофе вместе с Доди аль-Файедом; аль-Файед и водитель Анри Поль умерли на месте, Диана, доставленная с места происшествия (в туннеле перед мостом Альма на набережной Сены) в больницу Сальпетриер, скончалась через два часа. Причина аварии не вполне ясна, существует ряд версий (алкогольное опьянение водителя, необходимость уходить на скорости от преследований папарацци, а также различные теории заговора). Единственный выживший пассажир «Мерседеса», телохранитель Тревор Рис-Джонс, получивший тяжёлые увечья (его лицо пришлось восстанавливать хирургам), не помнит событий. 14 декабря 2007 был представлен доклад экс-комиссара Скотланд-Ярда лорда Джона Стивенса, который заявил \"Британское расследование подтвердило выводы, согласно которым, в крови водителя автомобиля Анри Поля количество алкоголя на момент его гибели было превышено почти в три раза, чем это допустимо по французскому законодательству. Кроме того, скорость машины превышала допустимую в данном месте в два раза. Лорд Стивенс также отметил, что пассажиры, включая Диану, не были пристегнуты ремнями безопасности, что также сыграло свою роль в их гибели.\" Похоронена принцесса Диана в семейном поместье Спенсеров Элторп в Нортгемптоншире, на уединенном острове посреди озера.