Kleiman wurde in der Bronx geboren und besuchte die University of Chicago mit dem Ziel, Medizin zu studieren. Nachdem sie jedoch ein Dingojunges in das Haus ihrer Mutter mitgenommen hatte, wo es den Keller verwüstete, und an einem Projekt zur Zähmung von Wölfen gearbeitet hatte, wechselte sie ihr Studienfach zur Verhaltensbiologie und schloss ihr Studium 1964 ab. 1969 wurde sie an der University of London in Zoologie promoviert. 1972 trat Kleiman in den Stab des National Zoo in Washington, D.C., ein und gehörte dort zu den ersten Wissenschaftlerinnen. 1979 wurde sie zur Leiterin der Abteilung für Zoologische Forschung ernannt und stieg 1986 zur stellvertretenden Forschungsdirektorin auf. Sie wurde zudem in den Lehrkörper der University of Maryland, College Park berufen, wo sie als außerordentliche Professorin tätig war.
Goldenes Löwenäffchen, 1997 von Devra Kleiman fotografiert
Kleimans größter Erfolg war die Arbeit mit dem Goldenen Löwenäffchen, einem kleinen, rötlich-orangefarbenen Neuweltaffen, der in den Küstenwäldern Brasiliens lebt. Anfang der 1970er Jahre reagierte sie auf einen Notruf des brasilianischen Biologen Adelmar Faria Coimbra-Filho, der berichtete, dass die Population der Löwenäffchen in freier Wildbahn auf einige Hundert Tiere und in menschlicher Obhut auf nur 75 Tiere zurückgegangen war. Kleiman arbeitete mit Coimbra-Filho zusammen, um mehr als ein Dutzend Zoos davon zu überzeugen, sich an einem kooperativen Leihprogramm zur Förderung der Zucht zu beteiligen. Außerdem nutzte sie genetische Daten, um eine genetisch stärkere Nachkommenschaft zu fördern. Kleiman und Coimbra-Filho arbeiteten auch am Schutz und an der Wiederherstellung großer Teile des Lebensraums der Löwenäffchen. Zum Zeitpunkt von Kleimans Tod lebten etwa 1600 Goldene Löwenäffchen in freier Wildbahn und 500 in Zoos weltweit.
Kleiman trug auch wesentlich zur wissenschaftlichen Erforschung der Großen Pandas bei. Als die chinesische Regierung 1972 ein Pandapaar an den National Zoo schenkte, stieß dessen Zucht auf großes öffentliches Interesse. Die ersten vier Schwangerschaften scheiterten jedoch. Kleiman leitete ein großes Team, das schließlich feststellte, dass die herkömmliche Annahme, Pandas seien Einzelgänger, falsch war. Nachdem der Zoo die Haltungsbedingungen so verändert hatte, dass Interaktion und Sozialkontakte möglich waren, brachte das nächste Pandapaar erfolgreich ein Jungtier zur Welt.
Zu Kleimans Veröffentlichungen gehören Wild Mammals in Captivity und Lion Tamarins: Biology and Conservation.
Nach Kleiman ist ein Preis für wissenschaftlichen Fortschritt benannt.
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