Troisième fils d'un couple germano-suisse, il grandit et suit ses études à Hanovre avant de déménager à Zurich en 1943. Ses parents le rejoignent trois ans plus tard et s'établissent à Herisau d'où Roth va suivre ses études secondaires à Saint-Gall. En 1946, il produit ses premières sculptures et peintures. L'année suivante, il quitte l'école pour suivre un apprentissage de graphiste à Berne chez Friedrich Wüthrich.

Après une dépression nerveuse et une tentative de suicide en 1949, il est objecteur de conscience et refuse de faire son service militaire. En 1952, il sera définitivement exclu de l'armée pour raisons de santé.

A partir de 1955, il déménage plusieurs fois à Copenhague, Reykjavík (où il fait la connaissance de sa future femme), Philadelphie et New York. En 1964, il divorce après avoir eu trois enfants de sa femme. Il se rend à Providence (Rhode Island) où il enseigne les arts graphiques. Il enseigne ensuite à Londres et à Düsseldorf de 1968 à 1971.

Entre 1971 et 1991, il va présenter plusieurs dizaines d'expositions en Suisse, en Islande, en Allemagne, en Grande-Bretagne, en Autriche. Au début des années 1990, il crée avec Philipp R. Buse la Fondation Dieter Roth à Hambourg dont le but est de récolter et conserver un maximum de pièces de l'artiste. L'année de sa mort, Roth nomme Dirk Dobke comme curateur de la fondation avant de décéder d'un arrêt cardiaque.