Hija del mayor general del Ejército Libertador de Cuba, Enrique Loynaz del Castillo y de María de las Mercedes Muñoz Sañudo, Dulce María se doctoró en Derecho en la Universidad de La Habana. Fue colaboradora de las más prestigiosas publicaciones de su país y viajó en distintas ocasiones a Europa, Asia y América. Entre sus libros figuran poemarios, memorias y una novela lírica, Jardín, considerada por algunos entre los primeros antecedentes del realismo mágico latinoamericano. Su obra poética, enmarcada en la corriente posmodernista, se ha caracterizado por un profundo carácter introspectivo mediante el cual intenta dar expresión al sujeto femenino, y por la creación de un mundo simbólico altamente sugerente: Versos 1920-1938, Poemas sin nombre (1953), y La novia de Lázaro (1991).

En 1986 recibió el Premio Nacional de Literatura de Cuba y en 1992 el Premio Cervantes en España. Fue directora de la Academia Cubana de la Lengua. Falleció el 27 de abril de 1997.