גנה דימיטרובה נולדה בכפר הבולגרי בגלז', כ-25 ק"מ מפלבן, ב-6 במאי1941. היא החלה לשיר במקהלת בית הספר וקולה העוצמתי הוביל לכך שהוצע לה מקום בקונסרבטוריון סופיה. למדה אצל כריסטו ברמברוב בין השנים 1959 ל-1964[5] היא סווגה בתחילה כמצו סופרן, בשנה השנייה היא הוכרה כסופרן.
לאחר שסיימה את לימודיה בקונסרבטוריון הממלכתי של בולגריה, היא החלה ללמד שירה. פריצת הדרך שלה הגיעה ב-1967, בתור אביגיל בהפקה של האופרה והבלט הלאומיים בסופיה של נבוקו של ג'וזפה ורדי, לאחר ששתי זמרות סופרן אחרות נשרו. בהקלטות המוקדמות קולה של דימיטרובה עדיין לא הגיע למלוא עצמתו, שהפך לסימן ההיכר שלה. ברבות מהפקות הנבוקו המוקדמות, ה-C הגבוה האופציונלי הסופי מושמט בקבלטה, Salgo già, שאותה תכלול בהמשך הקריירה שלה.
הופעת הבכורה שלה באיטליה, בתור Turandot הייתה בטרוויזו ב-1975. באותו תפקיד הייתה הופעת הבכורה שלה בלה סקאלה ב-1983 מול הטנור פלאסידו דומינגו בהפקתו המפוארת של פרנקו זפירלי. היא שרה גם בתיאטרו קולון בבואנוס איירס בשנים 75–1974, שם שרה את טוסקה, טורנדוט, אנדריאה שנייה, איל טרובטורה ודון קרלו. הטורנדוט שלה נשמר גם בסרטון של הפקת הארנה של ורונה מ-1983, עם ניקולה מרטינוצ'י וססיליה גסדיה. בשנת 1987, קיימה את הופעת הבכורה שלה מטרופוליטן אופרה בניו יורק בביצוע אותו תפקיד.
דימיטרובה אמרה פעם על התפקיד: "טורנדוט אולי לא התפקיד האהוב עליי, אבל הוא מאפשר לי להפגין את יכולות קולי. כפי שהמוזיקה נכתבה, צריך קול חזק כמו חצוצרה כדי לעשות איתה צדק".
דימיטרובה שרה גם כמה תפקידי מצו-סופרן ברפרטואר שלה. הבולטים שבהם היו אמנריס, שעשתה בהעלאת "אאידה" בלה סקאלה ב-1985 מול מריה קיארה בתפקיד הראשי ולוצ'אנו פבארוטי בתפקיד רדאמס. כאבולי מ"דון קרלו" של ורדי.[6][7]
לאחר פרישתה מהבמה בשנת 2001, דימיטרובה נשארה פעילה בעבודה עם זמרים צעירים. אחת מתלמידותיה היא זמרת הסופרן אלנה ברמובה..
דימיטרובה מתה מסרטן במילאנו ב-11 ביוני 2005.[8] לאחר מותה הבטיחה ממשלת בולגריה להקים קרן על שמה לזמרים צעירים מבטיחים.
