Giuseppe Paolo DiMaggio egy kis kaliforniai halászfaluban, Martinezben született egy olasz bevándorló halász nyolcadik gyermekeként, de már San Franciscóban nőtt fel. Apja belőle is halászt akart nevelni, ám Joe még a hal szagától hányingert kapott, szívesebben játszott baseballt. A sportágban annyira tehetségesnek bizonyult, hogy 16 évesen otthagyta az iskolát és a helyi amatőr ligában vezette bajnoki címig csapatát, majd félprofiként a Csendes-óceáni Ligában (PCL) szereplő San Francisco Sealshez került, egy sérült védekező játékos helyettesítésére. Először 1932. október 1-jén lépett pályára, első teljes idényében, 1933-ban ligarekordot döntött, 61 egymást követő meccsen volt sikeres ütése.
A fiatal tehetségre felfigyelt a profibajnokság (MLB) egyik elitcsapata, a New York Yankees, de az átigazolás majdnem kútba esett, amikor DiMaggio 1934-ben térdszalag-szakadást szenvedett. A Yankees így is igényt tartott rá, 50 ezer dollárért és öt játékosért cserébe vették meg. Joe utolsó San Franciscó-i évadában remeknek tartott 0,398-as ütőátlaggal és 34 hazafutással (home run) újabb PCL bajnoki címhez segítette csapatát, és a liga legjobb játékosának is megválasztották.
A Yankeesben 1936. május 3-án debütált. A Joltin’ Joe-nak és Yankee Clippernek becézett játékos (center fielder) a második világháború miatti megszakítással 1936-1942 és 1946-1951 között erősítette a New York-i alakulatot. A katonaságnál a hadsereg csapatában játszott, és testedzőként szolgált, harci bevetésre nem engedték. Míg a Yankees az érkezése előtti hét évben csupán egyszer nyert alapszakaszt, vele 13 szezon alatt 10 alapszakasz-elsőséget és 9 bajnoki címet (World Series) gyűjtött. DiMaggiót mind a 13 évben beválogatták az All Star-csapatba, háromszor volt az év legértékesebb játékosa, kétszer a hazafutásban is legjobbnak bizonyult, és szintén kétszer volt a liga legjobb ütője. 1941. május 15. és július 16. között állította fel 56 meccses ütési rekordját, amit a mai napig sem tudtak megdönteni, a széria utolsó mérkőzésén 67 ezer néző szorongott a lelátókon.
Ő lett az első játékos a baseball történetében, akivel – 1949. február 7-én – 100 ezer dolláros (mai értéken majdnem egymillió dolláros) szerződést kötöttek. 1951-es szezonja már nem a tervei szerint alakult, sérülésekkel küszködött, fájdalmas teher lett számára a játék. Utoljára 1951. szeptember 30-án ment ki a gyémánt alakú pályára, s december 11-én hivatalosan is bejelentette visszavonulását. Pályafutását 0,325-ös ütőátlaggal, 2214 ütéssel és 361 home runnal zárta, csapata vele együtt az 5-ös mezt is visszavonultatta.
Az amerikaiak által rajongva szeretett DiMaggiónak két rövidéletű házassága volt. 1939-ben feleségül vette Dorothy Arnold színésznőt, akivel öt évig élt együtt, s 1941-ben fiuk született. 1952 tavaszán randevúra hívta a szép és szexi színésznőt, Marilyn Monroe-t, akivel 1954 januárjában keltek egybe. Az álompár frigye csupán kilenc hónapig tartott, 274 nappal az esküvő után Marilyn lelki bántalmazás miatt beadta a válópert. Joe ugyanis otthonülő háziasszonyként képzelte el hitvesét, akinek fellépései, legendás szoknyalibbentős akciója mind-mind csak parázs volt a tűzre. Kapcsolatuk baráti maradt, a színésznőt 1961-ben, amikor kiengedték a pszichiátriai klinikáról, Joe vette magához, egy évvel később ő temette el, s 20 éven át hetente háromszor vitetett vörös rózsát a sírjára. Utolsó szavai állítólag ezek voltak: "Végül újra láthatom Marilynt".
Coffee kávéfőzőgép-gyártó cég szóvivője és reklámarca volt, banki hirdetésekben szerepelt. 1992-ben az ő 4 millió dolláros adománygyűjtési hozzájárulásával nyílt meg Hollywoodban a nevét viselő gyermekkórház.
Élete végéig reflektorfényben maradt, 1955-ben beválasztották a baseballos Hírességek Csarnokába, 1969-ben őt szavazták meg az akkor százéves sportág legnagyobb élő játékosának, 1977-ben megkapta a legmagasabb amerikai polgári kitüntetést, az Elnöki Szabadság érdemrendet. Az egész életében sokat dohányzó DiMaggio egészsége az 1990-es évekre meggyengült, néhány hónappal tüdőrák műtétje után, 1999. március 8-án hollywoodi otthonában halt meg.
Ikonikus alakja szinte minden művészeti ágban felbukkan. A nagy DiMaggiót emlegeti Hemingway öreg halásza, a rajzfilmben Frédi, a kőkorszaki szaki Benőkében látja jövendő utódát. Megénekelte Madonna a Vogue, Simon és Garfunkel a Mrs. Robinson című dalában, a filmvásznon 1941-es szériarekordját a Star Trek: Deep Space Nine sci-fi sorozat egyik epizódjában, 2026-ban döntik meg. 1999 áprilisában a Yankee Stadionban szobrot állítottak az emlékére, 2012-ben az amerikai posta arcképével ellátott bélyeget bocsátott ki, idén a Broadwayon Bronx Bombers (A bronxi bombázók) címmel mutatták be a róla és legendás csapatáról szóló színdarabot.