Po krótkim okresie pracy w Kongo, ze względu na niebezpieczną sytuację w kraju przeniosła się do Rwandy, gdzie w 1967 na obszarze Parku Narodowego Wulkanów utworzyła Karisoke Research Center – centrum badawcze zajmujące się gorylami. W 1974 uzyskała naukowy tytuł doktora zoologii na Uniwersytecie Cambridge, rozwijając przez lata obserwacji oryginalne techniki badawcze, nigdy przedtem nie stosowane przez zoologów-prymatologów. Przez kilkanaście lat walczyła o zapewnienie ochrony ginącemu gatunkowi goryli górskich, których liczbę na wolności ocenia się obecnie na kilkaset osobników.
Istotną rolę w pracy Fossey odegrał mieszkający w Kenii brytyjski filmowiec-dokumentalista, Bob Campbell, który przez trzy lata (1969-1972) współpracował z nią, filmując zachowanie zwierząt. To właśnie filmy i zdjęcia Campbella stały się dla badaczki przepustką na okładkę i łamy prestiżowego miesięcznika „National Geographic”, przysparzając jej pracy popularności i wsparcia ze strony świata nauki, i rozmaitych fundacji. Wkład Campbella nie został jednak uwzględniony w opublikowanej przez nią kilka lat później książce, co przypisuje się względom osobistym – pominięcie Campbella spotkało się z krytycznym odbiorem specjalistów.