Née le 3 septembre 1499, Diane est la fille aînée du comte Jean de Saint-Vallier, seigneur de Poitiers (ce nom n'a rien à voir avec la capitale du Poitou ; il désigne un ancien marquisat de Provence, Peytieu, Poitiersen langue d'oïl !).
Elle est mariée à 16 ans au grand sénéchal de Normandie Louis de Brézé, de 40 ans plus âgé qu'elle. C'est sous le nom de Diane de Brézé qu'elle est dès lors connue de ses contemporains, le nom de Diane de Poitiers lui ayant été attribué bien plus tard par le romancier Alexandre Dumas. Son père est mêlé malgré lui à la conspiration du connétable de Bourbon, dépouillé de ses biens et condamné à mort, enfin grâcié d'extrême justesse sur l'échafaud.
Diane échappe aux conséquences de ce faux-pas paternel. Veuve à 32 ans, c'est une femme d'une grande culture et à la beauté épanouie. Elle s'occupe avec tendresse des fils du roi François 1er.
Le deuxième, Henri d'Orléans, a connu la captivité à Madrid et en a gardé une grande mélancolie. Il trouve du réconfort auprès de cette femme supérieure et de dix-neuf ans plus âgée que lui. Diane va jusqu'à arranger son mariage avec Catherine de Médicis en 1533. Henri et Catherine ont alors l'un et l'autre 15 ans. Mais les choses ne s'arrêtent pas là et Diane devient vers 1536 la maîtresse d'Henri !
Après la mort de François 1er, le 31 mars 1547, Diane prend sa revanche sur la dernière maîtresse du défunt roi, Anne de Pisseleu, duchesse d'Étampes. Le nouveau roi ne craint pas d'afficher sa relation avec elle, portant ses couleurs blanc et noir dans les tournois. Il la fait duchesse de Valentinois et lui offre le château de Chenonceau, sur le Cher.
Diane s'entoure d'une cour brillante et projette les artistes de son temps tel le poète François Ronsard. Elle fait construire à l'ouest de Paris le joli château d'Anet, oeuvre de l'architecte Philibert Delorme, décoré par le sculpteur Jean Goujon.
Les revers surviennent après le fatal tournoi qui coûte la vie à son royal amant. Catherine de Médicis, devenue régente du royaume, prend sa revanche après de longues années d'effacement. Elle congédie la favorite, encore séduisante dans ses soixante printemps, dans son château d'Anet. C'est là que Diane meurt le 22 septembre 1566.