דינה שטרן נולדה בשם מאשה גליקסמן בעיירה זְדוּנְסְקָה וְוֹלָה בפולין. לאביה שמעון גליקסמן, ולאמה אסתר חנה, היו עוד שתי בנות ושני בנים נוספים. כל בני משפחתה נספו בשואה. בילדותה הייתה שטרן חניכה בתנועת בית"ר לתקופה קצרה, ולאחר מכן הייתה ממייסדי תנועת בני עקיבא בלודז', ביחד עם בעלה לעתיד אליעזר שטרן. ב-6 בינואר 1937 עלתה לארץ ישראל על האונייה האיטלקית "גליליאה" של חברת "לויד טריאסטינו".

שטרן התחנכה ב"בית צעירות מזרחי" בירושלים, שהיה באותם הימים מוסד חינוכי לנערות שעלו ארצה במסגרת עליית הנוער, שם למדה בין היתר אצל נחמה ליבוביץ'. היא למדה בבית המדרש למורים^{[דרושה הבהרה]} ובמקביל נרשמה ללימודים באוניברסיטה העברית בירושלים. היא סיימה לימודיה בהצלחה וקיבלה תעודת הסמכה כפולה כגננת וכמורה. ב-29 במרץ 1942 נישאה לאליעזר שטרן, לימים פרופסור לחינוך באוניברסיטת בר-אילן (נפטר ב-1981). בשנת 1943–1944 הצטרפו בני הזוג לכפר הנוער הדתי שליד כפר חסידים של הסוכנות היהודית. בשנים 1946–1948 התגוררו השניים במסגרת "קבוצת סטודנטים יבנה שבקיבוץ יבנה", ובשנת 1949 עברו לגור בתל אביב, שם החלה שטרן לעבוד כמחנכת בתיכון "תלפיות".

לאחר תקופת מה עברה להתגורר עם בעלה באנגליה בעקבות שליחתו של בעלה אליעזר כמנהל בית מדרש למורים מטעם הסוכנות היהודית בקולג' יהודית מונטיפיורי ברמסגייט (אנ'). בעת שהותה באנגליה החלה שטרן ללמוד בקורסים מטעם אוניברסיטת אוקספורד בספרות אנגלית ופילוסופיה של הדת. לקראת אמצע שנות החמישים שבה שטרן להתגורר עם בעלה בישראל ושבה ללמד בתיכון "תלפיות".

בשנת 1964 כתבה שטרן את ספרה "הבגידה ולקחה - עיונים בשבועת אמונים לש"י עגנון". הספר עורר התעניינות רבה בשל דרכו המיוחדת בניתוח יצירות עגנון. שטרן שלחה את הספר לסופר, על מנת שאולי יביע את דעתו עליו, ולאחר כמה חודשים קיבלה מעגנון מכתב תשובה רשום בכתב רש"י, שבו אישר עגנון את פרשנותה של שטרן לסיפורו, אך רמז לה "קלות" שהיא לא קלטה עדיין את כל רמזי הסיפור. שטרן אימצה את דברי מכתבו של עגנון, ובשנת 1989 הוציאה מהדורה חדשה ומרחבת של הספר, אך עגנון כבר לא היה בחיים.

בשנת 1969 שבה שטרן אל ספסל הלימודים כתלמידה מן המניין באוניברסיטת בר-אילן, ובשנת 1972 סיימה לימודי תואר ראשון בהצטיינות. בשנות השבעים שהתה עם בעלה במסגרת שליחות במונטריאול שבקנדה, שם קיבלה על עצמה תפקיד של מורה לעברית מטעם הפדרציה הציונית.

בסוף שנות השבעים שבו בני הזוג שטרן ארצה והיא החלה ללמד באוניברסיטה קורס בספרות ילדים, והשלימה תואר שני ושלישי. ב-20 ביולי 1981 קיבלה תואר דוקטור לספרות ולשון, אך בעקבות פטירתו של בעלה אליעזר חודש לאחר מכן מסרטן, פרשה לכמה חודשים. בשנת 1982 קיבלה שטרן מינוי של מרצה בכירה ומיקדה את עצמה באוניברסיטת בר-אילן, שם הסמיכה דורות שלמים של מורים לספרות ולשון.

בשנת 1990 פרשה שטרן לפנסיה חלקית, לאחר שנתבקשה להמשיך בהוראת קורסים לספרות ילדים. לאחר כמה שנים פרשה שטרן לפנסיה מלאה ומאז מקדישה את זמנה למחקר ספרות.

לשטרן שלושה בנים, ביניהם פרופ' ידידיה שטרן, ובת. שטרן מתגוררת כיום בתל אביב וממשיכה לעסוק במחקרי ספרות.

בשנת 2010 קיבל שטרן תעודת חבר כבוד מטעם עמותת יוצאי זדונסקה וולה בישראל.