Diane Keaton, lahir dengan nama Diane Hall di Los Angeles, California, dari pasangan Dorothy Deanne, seorang fotografer amatir, dan John Newton Ignatius "Jack" Hall, insinyur sipil serta broker properti. Ia menempuh pendidikan Drama di Santa Ana College sebelum memutuskan berhenti dan melanjutkan di Neighborhood Playhouse di New York. Setelah tampil di pertunjukan summer stock, ia mendapatkan peran utama di musical Broadway "Hair" sebagai understudy. Keberhasilannya mencuri perhatian dengan cara tidak melepas pakaian saat tampil, membuat namanya dikenal.

Pada tahun 1968, Woody Allen memerankan dirinya dalam naskah Broadway "Play It Again, Sam," yang sukses besar. Di masa ini, Diane mulai terlibat dengan Allen dan tampil di beberapa filmnya, termasuk adaptasi film "Play It Again, Sam" (1972). Tahun yang sama, Francis Ford Coppola memilihnya sebagai Kay dalam film piala Oscar "The Godfather" (1972), yang membuka jalan menuju ketenaran globalnya. Ia mengulang perannya di sekuel "The Godfather: Part II" (1974).

Selanjutnya, Diane tampil bersama Allen dalam film "Sleeper" (1973) dan "Love and Death" (1975). Pada 1977, ia beralih dari citra komedi ke peran yang lebih gelap, seperti di "Looking for Mr. Goodbar", yang membuatnya mendapat nominasi Golden Globe. Di tahun yang sama, ia membintangi film ikonik "Annie Hall", yang ditulis khusus oleh Allen untuknya. Ia memenangkan Oscar dan penghargaan British untuk Aktris Terbaik, serta menjadi ikon mode dengan gaya berbusana unisex dan tingkah laku khas.

Setelah itu, kariernya sempat terbatas, dengan muncul satu film per tahun yang mayoritas karya Allen. Setelah hubungan mereka berakhir, Diane terlibat dengan Warren Beatty dan tampil di film "Reds" (1981) sebagai Louise Bryant, yang memberinya nominasi Oscar dan Golden Globe. Ia jarang tampil di layar selama 1980-an, tetapi tetap meraih sejumlah nominasi. Ia berusaha keluar dari stereotip dengan peran wanita yang bingung dan naif yang terlibat konflik, seperti di "The Little Drummer Girl" (1984), dan mulai menyutradarai film dokumenter dan episode televisi, termasuk "Twin Peaks" (1990).

Di 1990-an, Diane kembali berperan dalam film-film yang lebih matang, termasuk mengulang perannya sebagai Kay di "The Godfather: Part III" (1990), tampil sebagai istri Steve Martin di "Father of the Bride" (1991), dan bekerja sama kembali dengan Woody Allen dalam "Manhattan Murder Mystery" (1993). Ia meraih perhatian lagi sebagai sutradara dengan film "Unstrung Heroes" (1995), yang menjadi karya besar pertamanya di dunia perdakan.