22-åringens vinnertid var 29.54,66, den nest raskeste tiden noensinne.
Hun lot andre føre det meste av løpet, før hun tok ledelsen på siste runde og sprintet hjem gullet.
– Det var et fryktelig løp, på en utrolig tid, og gudskjelov så greide jeg det. Det var utrolig hardt, men jeg er aldri redd for å løpe, sa Dibaba etter seieren.
Dibaba satte i juni i år verdensrekord på 5000 meter under Golden League-stevnet på Bislett.
Hun var tidenes yngste verdensmester da hun vant 5000-meteren i Paris 2003, og den første kvinnen til å vinne både 5000 og 10.000 meter i Helsingfors i 2005.
Sølvet gikk til Elvan Abeylegesse fra Tyrkia, mens Shalane Flanagan fra USA tok bronse.
