A család 4 gyermeke közül ő a legidősebb. Apja Jack Hall mérnök, anyja Dorothy Keaton amatőr fényképész volt. Diane Hall néven született a kaliforniai Los Angelesben. 1965-től dráma tagozatos főiskolán tanult, majd egy év múlva Manhattan-ben próbált szerencsét, ahol csatlakozott egy színtársulathoz, és zenés-táncos produkciókkal lépett fel éjszakai szórakozóhelyeken.
1963-ban érettségizett a Santa Ana High Schoolban, aztán a Santa Ana, majd később a Orange Coast College-re járt. Egy évet kihagyott, hogy Manhattan-ben próbáljon szerencsét, és beindítsa színészi karrierjét, miután csatlakozott az Actors’ Equity Associationhoz, és felvette édesanyja nevét. Egy ideig másodállásként éjszakai klubokban énekelt.
1970-ben debütált a színpadon. Filmvásznon az első jelentős szerepe 1972-ben a Keresztapa című filmben volt. Később drámai előadóművészeket képző tanfolyamon vett részt, miközben főszerepet játszott a Looking-ban (’77), majd több igen népszerű filmben kapott szerepet. A színészeten kívül mással is foglalkozik: fényképész, ingatlanfejlesztő és alkalmi énekes.
Ugyancsak 1972-ben jelentkezett a Játszd újra, Sam! című filmbe, de majdnem nem kapta meg a szerepet, mert túl magas volt a filmbeli társához. Két évvel később ismét Kay Adams szerepébe bújt a Keresztapa második része kedvéért.
Talán leghíresebb filmjét, az Annie Hall-t 1977-ben mutatták be. A romantikus komédiát Woody Allen rendezte. Allen eredetileg az Anhedonia munkacímet adta a filmnek, de ez nem volt igazán eladható. A címet a végső változatra a Los Angeles-i Filmfesztivál előtt három héttel cserélték le, a filmet ott mutatták be 1977 márciusában. A társíró, Brickman javasolt egy másik alternatívát, ez It Had to Be Jew volt, de azt még kevésbé tartották eladhatónak a filmforgalmazásban. Így a végén megállapodtak a később véglegesített Annie Hall címben.
1990-ben Diane Keaton volt a legnépszerűbb a sokoldalú színészek közül Hollywoodban. A következő években többnyire érett szerepekbe bújhatott. 1991-ben kapta meg Steve Martin mellett a főszerepet az Örömapa filmben, melynek két része is van.
2003-ban Jack Nicholsonnal játszottak “szerelmespárt” a Minden végzet nehéz elnevezésű romantikus vígjátékban. A filmben szintén szereplő Kenau Reeves színésszel a való életben is viszonyt folytatott. 2004 és 2006 között egy filmet forgatott, de azt olyan színészekkel, mint Sarah Jessica Parker, Claire Danes, Rachel McAdams és Craig T Nelson. 2007-ben két filmben játszott egyszerre. A Férjez mész, mert azt mondtam-ban egy elvált nőt alakított, aki szingli lányának keres férjet. Másik filmje a Mama Boy volt ebben az időben.
2010-ben főszerepet játszott Rachel McAdamsszal és Harrison Forddal a Morning Gloryban. 2010-ben a L’Oreal reklámarcának választották. 2013-ban Robert de Niro-val alakítottak elvált házaspárt a The Weddingben. 2014-ben két produkcióban is kapott szerepet, és a Finding Dory animációs filmnél is felmerült a neve, ahol Jenny hangját adja.
Diane soha nem ment férjhez, de számos kollégájával folytatott viszonyt. Sokáig Woody Allen-nel volt együtt, vele a mai napig jóban vannak. A Minden végzet nehéz c. film forgatása alatt gabalyodott bele Jack Nicholsonba, és Keanu Reevesszel is volt viszonya. Saját gyermeke nincs, de kettőt örökbe fogadott: Dexter Keaton-t (1996), és Duke Keaton-t (2000).
Fotó:Europress/Getty