Джейн Гудолл родилась в Лондоне в 1934 году. Когда она была ещё ребёнком, отец подарил ей игрушечного шимпанзе. Игрушка разбудила в ней интерес к шимпанзе, и эта обезьянка до сих пор неразлучна с ней. После развода родителей 12-летняя Джейн переехала с матерью в Борнмут.
По окончании школы она посещала курсы секретарей, работала официанткой, но в 1957 году по приглашению бывшего одноклассника решила реализовать свою давнюю мечту посетить Африку и отправилась работать в Кению. В Кенийском национальном музее она нашла место ассистента и секретаря директора музея, известного антрополога Луиса Лики. Вскоре он пригласил её сопровождать его и его жену Мэри Лики на раскопки в ущелье Олдувай в восточной Африке. Лики также попросил её заняться изучением шимпанзе в Национальном парке Гомбе-Стрим в Танзании, он надеялся, что на основании данных этих наблюдений станет возможным сделать выводы о жизни первобытных людей. Джейн прибыла в Танзанию вместе с матерью в июле 1960 года и занялась активной исследовательской работой.
Хотя Джейн не училась в университете и не имела даже степени бакалавра, тем не менее, благодаря её необычно значимым исследованиям и специально полученному разрешению она была допущена к соисканию докторской степени по этологии в колледже Дарвина в Кембриджском университете в 1962 году и успешно защитила докторскую диссертацию в 1964 году. Вместе с Дайан Фосси, известной своей жизнью среди горилл, и Бируте Гальдикас, изучавшей орангутангов, она является одной из трёх исследовательниц, начавших в начале 60-х годов длительные исследования человекообразных обезьян. В научном мире их также называют «ангелами Лики».
Многими знаниями о шимпанзе мир обязан Джейн Гудолл. Она первой открыла, что шимпанзе используют примитивные орудия: ветви, которыми они достают термитов из термитников и мёд из дупел, и камни, которые они используют вместо молотка и наковальни, чтобы разбивать орехи. В своих наблюдениях за шимпанзе Джейн привела первые документированные примеры того, что дикое животное не просто использует предмет в качестве орудия, но действительно изменяет его в соответствии со своими нуждами, демонстрируя тем самым зачатки изготовления орудий. Хотя многие животные пользуются орудиями, только человекообразные изготавливают их, и эта особенность считается основным отличием человекообразных от прочих животных.
В дальнейшем она заметила, что шимпанзе также употребляют в пищу мясо других животных, совместно ходят на охоту, а также ведут между собой войны. Сложными оказались и «общественные отношения» у обезьян.
Гудолл была первой исследовательницей, дававшей исследуемым животным имена вместо номеров. В научных кругах эта практика осуждалась, так как считалось, что эмоциональный фактор ведёт к потере объективности исследования. Тем не менее, примеру Джейн последовали многие учёные. Среди шимпанзе Джейн можно назвать Дэвида, первого приблизившегося к ней; Голиафа, друга Дэвида, бывшего вожака стаи; Майка, вожака стаи; старую «тётку» Джиджи; пожилого Мистера МакГрегора и мамашу Фло с её детьми.
В 1977 году Гудолл основала Институт Джейн Гудолл (Jane Goodall Institute, JGI), для поддержки заповедника Гомбе. Институт имеет 19 отделений по всему миру. Гудолл является защитником шимпанзе и мест их обитания по всему миру, путешествуя по 300 дней в году. Институт Джейн Гудолл широко известен в мире благодаря разработке новаторских программ, направленных на обеспечение охраны природных богатств и развития Африки. Гудолл продолжает оказывать помощь ООН в привлечении внимания к вопросам экологии, например, в рамках своей работы над проектом ЮНЕП/ЮНЕСКО по обеспечению выживания человекообразных приматов. Проект способствует координации международных усилий в интересах спасения этого вида приматов, находящегося на грани полного исчезновения.
Гудолл также является членом правления самого крупного заповедника шимпанзе вне Африки, расположенного во Флориде, а также бывшим президентом организации «Защитники прав животных» (Advocates for Animals), расположенной в Эдинбурге, Шотландия, и протестующей против использования животных в медицинских опытах, зоопарках, спорте и животноводстве.
В 1991 году Гудолл основала детскую организацию «Roots & Shoots», работающую сейчас в 100 странах мира. Эта международная детская программа занимается реализацией проектов по оказанию помощи людям и животным и охране окружающей среды.
В апреле 2002 года генеральный секретарь ООН Кофи Аннан назначил Гудолл послом мира ООН.
В мае 2008 года она обратилась в Нобелевский комитет с инициативой по учреждению Нобелевской премии за альтернативные методы в опытах над животными.
7 июля 2007 года Гудолл представляла международный фестиваль «Live Earth».
Гудолл дважды была замужем. 28 марта 1964 года она вышла замуж за голландского фотографа-анималиста аристократического происхождения, барона Гуго ван Лавика, став баронессой Джейн фон Лавик-Гудолл. В 1968 Гудолл помогала мужу в его работе в Национальном парке Серенгети в Танзании, где он снимал хищников. Результатом этих исследований стала книга «Невинные убийцы». От этого брака у неё есть сын. В 1974 году супруги развелись.
В 1975 году Джейн повторно вышла замуж за директора национальных парков и члена парламента Танзании. В 1980 году он скончался.
Джейн и её младшая сестра Джуди больны прозопагнозией - неспособностью узнавать лица людей.
Джейн - вегетарианка из нравственных соображений, а также по причинам заботы об окружающей среде и своём здоровье.