Diane Keaton nació como Diane Hall en Los Ángeles, California, hija de Dorothy Deanne (Keaton), una fotógrafa amateur, y John Newton Ignatius «Jack» Hall, un ingeniero civil y Corredor de bienes raíces. Estudió Drama en Santa Ana College, antes de abandonar a favor del Neighborhood Playhouse en Nueva York. Después de aparecer en summer stock durante varios meses, obtuvo su primer papel importante en el musical de rock de Broadway «Hair». Como suplente de la protagonista, llamó la atención al no quitarse ninguna de sus ropas., En 1968, Woody Allen la eligió en su obra de Broadway «Play It Again, Sam», que tuvo una exitosa carrera. Fue durante este tiempo que se involucró con Allen y apareció en varias de sus películas. El primero fue Play It Again, Sam (1972), la adaptación cinematográfica de la obra teatral. Ese mismo año Francis Ford Coppola la eligió como Kay en el Oscar The Godfather (1972), y estaba en camino al estrellato. Ella reimprimió ese papel en la primera secuela de la película, El Padrino: Parte II (1974). Luego apareció con Allen de nuevo en Sleeper (1973) y Love and Death (1975).,en 1977, se separó de su imagen de comedia para aparecer en the chilling Looking for Mr. Goodbar (1977), que le ganó una nominación al Globo de oro. Fue el mismo año que apareció en lo que muchos consideran como su mejor actuación, en el papel principal de Annie Hall (1977), que Allen escribió específicamente para ella (su verdadero apellido es Hall, y su apodo es Annie), y lo que un impacto que hizo. Ganó el Oscar y el Premio británico a la mejor actriz, y Allen ganó el Premio de Directores de la DGA., Comenzó una tendencia de moda con su ropa unisex y fue la chica del cartel para muchos hombres jóvenes. Sus gestos y su discurso torpe se convirtieron casi en una locura nacional. La pregunta que se hizo, sin embargo, fue: «¿Es ella solo una ligera jugando ella misma, o hay más profundidad en su personalidad?»Por cualquier razón, ella apareció en sólo una película al año durante los siguientes dos años y esas películas fueron de Allen. Cuando se separaron, se involucró con Warren Beatty y apareció en su película Reds (1981), como la periodista Bohemia Louise Bryant., Por su actuación, recibió nominaciones para el Premio de la Academia y el globo de oro. Durante el resto de la década de 1980 apareció con poca frecuencia en películas, pero ganó nominaciones en tres de ellas. Tratando de romper el encasillamiento en el que había caído, asumió el papel de una mujer confusa y algo ingenua que se involucra con terroristas de Oriente Medio en The Little Drummer Girl (1984). Para compensar su falta de trabajo en el cine, Diane comenzó a dirigir. Dirigió el documental Heaven (1987), así como algunos videos musicales., Para la televisión dirigió un episodio de la popular, pero extraña, Twin Peaks (1990).
en la década de 1990, comenzó a obtener papeles más maduros, aunque reimprimió el papel de Kay Corleone en la tercera epopeya de «El Padrino», The Godfather: Part III (1990). Ella apareció como la esposa de Steve Martin en The Hit Father of the Bride (1991) y de nuevo en Father of the Bride Part II (1995). En 1993, una vez más se asoció con Woody Allen en Manhattan Murder Mystery (1993), que fue bien recibida. En 1995 recibió altas calificaciones por Unstrung Heroes (1995), su primer largometraje como directora.