Diane Keaton s-a născut în Los Angeles, California, în familia lui Dorothy Deanne (Keaton), fotograf amator, și John Newton Ignatius „Jack” Hall, inginer civil și broker imobiliar. A studiat Drama la Colegiul Santa Ana, înainte de a renunța în favoarea Playhouse-ului din cartier din New York. După ce a apărut în summer stock timp de câteva luni, a obținut primul ei rol major în muzica rock de pe Broadway „Hair”. Ca dublură la plumb, ea a câștigat atenția prin faptul că nu scoate nici de hainele ei., În 1968, Woody Allen a distribuit-o în piesa sa de pe Broadway „Play It Again, Sam”, care a avut un succes. În această perioadă s-a implicat cu Allen și a apărut într-o serie de filme ale sale. Primul a fost Play It Again, Sam (1972), adaptarea pe ecran a piesei de teatru. În același an, Francis Ford Coppola a distribuit-o ca Kay în The Godfather (1972), câștigător al Premiului Oscar, iar ea era în drum spre stardom. Ea a reluat acest rol în primul sequel al filmului, The Godfather: Part II (1974). A apărut apoi cu Allen din nou în Sleeper (1973) și Love and Death (1975).,
în 1977, s-a despărțit de imaginea ei de comedie pentru a apărea în the chilling Looking for Mr.Goodbar (1977), care i-a câștigat o nominalizare la Globul de aur. În același an a apărut în ceea ce mulți consideră cea mai bună interpretare a ei, în rolul principal al Annie Hall (1977), pe care Allen l-a scris special pentru ea (numele ei real este Hall, iar porecla ei este Annie) și ce impact a avut. A câștigat Premiul Oscar și premiul britanic pentru cea mai bună actriță, iar Allen a câștigat Premiul regizorilor de la DGA., Ea a început o tendință de moda cu hainele ei unisex și a fost fata poster pentru o mulțime de bărbați tineri. Manierele și discursul ei ciudat au devenit aproape o nebunie națională. Întrebarea pusă, totuși, a fost: „este ea doar o joacă ușoară sau există mai multă profunzime a personalității ei?”Indiferent de motiv, ea a apărut în dar un film pe an pentru următorii doi ani și aceste filme au fost de Allen. Când s-au despărțit, ea a fost implicată în continuare cu Warren Beatty și a apărut în filmul său Reds (1981), ca jurnalista boemă Louise Bryant., Pentru interpretarea ei, a primit nominalizări la Premiul Oscar și Globul de aur. Pentru restul anilor 1980 a apărut rar în filme, dar a câștigat nominalizări în trei dintre ele. Încercarea de a sparge typecasting ea a căzut în, ea a preluat rolul unei femei confuz, oarecum naiv, care se implică cu teroriști din Orientul Mijlociu în Little Drummer Girl (1984). Pentru a-și compensa lipsa de film, Diane a început să regizeze. A regizat documentarul Heaven (1987), precum și câteva videoclipuri muzicale., Pentru televiziune a regizat un episod al popularului, dar ciudat, Twin Peaks (1990).
în anii 1990, a început să obțină roluri mai mature, deși a reluat rolul lui Kay Corleone în cel de-al treilea epic” Nașul”, The Godfather: Part III (1990). A apărut ca soția lui Steve Martin în hitul tatăl miresei (1991) și din nou în tatăl miresei partea a II-a (1995). În 1993 a făcut din nou echipă cu Woody Allen în Manhattan Murder Mystery (1993), care a fost bine primit. În 1995 a primit note mari pentru Unstrung Heroes (1995), primul ei lungmetraj major ca regizor.