Née en 1982, Fatoumata Diawara passe ses premières années à Abidjan dans une famille nombreuse. Sa mère est danseuse. Son père dirige une association de spectacles traditionnels. Il l'initie à la danse et à la guitare. À l'âge de 9 ans, après la mort brutale d'une sœur plus âgée, elle est adoptée par sa tante comédienne qui vit au Mali1. En 1997, Fatoumata Diawara est repérée par le cinéaste Cheick Oumar Sissoko qui l’engage dans le film La Genèse (prix « Un certain regard » au festival de Cannes en 1999) afin d’interpréter le premier rôle féminin. En 1998, elle part en France afin de travailler au Théâtre des Bouffes du Nord sur l’adaptation de Jean-Louis Sagot-Duvauroux de la pièce Antigone. Elle tourne dans plusieurs longs-métrages dont Sìa : Le Rêve du python (Prix spécial du Jury au Fespaco en 2001). En 2002, elle fuit un mariage forcé avec son cousin pour rejoindre la compagnie Royal de luxe et tourne six ans au sein de la troupe1. Selon Jean-Luc Courcoult, « Elle savait un peu chanter, elle ne savait pas bien jouer, mais je cherchais un tempérament, autre chose ». En novembre 2006, elle est choisie pour interpréter le premier rôle féminin de l’Opéra du Sahel, à Bamako.
C’est à ce moment qu’elle est remarquée par Cheick Tidiane Seck. Elle participe à l'enregistrement de l’album de Dee Dee Bridgewater. Dans cette même période, elle rencontre Oumou Sangaré qui la sollicite pour l’enregistrement de son album Seya. Fatoumata Diawara décide alors de se lancer dans l’aventure de la musique et commence à travailler à son propre répertoire. Elle poursuit également ses expériences au cinéma, en jouant notamment dans le film Il va pleuvoir sur Conakry du réalisateur guinéen Cheick Fantamady Camara, où elle interprète le rôle d'une jeune chanteuse. En 2007, elle tient le rôle de Karaba dans la comédie musicale Kirikou et Karaba, tirée du dessin animé Kirikou et la sorcière de Michel Ocelot1. En parallèle, elle travaille sur le disque de la comédie musicale. Cheick Tidiane Seck lui propose alors d’enregistrer sur son propre album Sabaly. Elle a l’opportunité de chanter avec Herbie Hancock (The Imagine project, Grammy Award en 2011) ou Hank Jones. Parallèlement, elle enregistre sur divers albums (Afrocubism, Cheick Lo, etc.).
Elle s'engage contre l'excision dans sa région d'origine au Mali. En 2012, elle gère la réalisation d'une vidéo musicale contre l'occupation du nord du pays par des djihadistes, ce qui l'amène à jouer dans Timbuktu, film multi-césarisé en 2015.
En 2017, Fatoumata Diawara contribue au projet malien de Matthieu Chedid "Lamomali". En 2018, elle sort son second album solo Fenfo, produit par Matthieu Chedid.
Damon Albarn et Jamie Hewlett invitent la chanteuse malienne sur un nouvel extrait de leur série collaborative Song Machine en 2020 et la mettent en vedette dans le clip et la chanson Désolé du groupe Gorillaz.
En 2022, elle joue dans un opéra de Damon Albarn et Abderrahmane Sissako, intitulé Le Vol de Boli et consacré au vol d'un fétiche animiste malien par un ethnologue et critique d'art français, Michel Leiris, pour le Musée de l'Homme. Dans un de ses textes, L’Afrique fantôme, Michel Leiris exprime sa honte d’avoir volé ce fétiche. Mais celui-ci est resté en France et est désormais exposé au Musée du Quai Branly.