Édesapja Ronald S. Agron és családja Oroszországból származnak, eredeti családneve Agronsky. Édesanyja Mary Agron, aki házassága után a judaizmus követője lett. Dianna pár évig héber iskolába járt és átesett a bat mitzvahján is. Testvére Jason Agron.
Dianna Agron San Franciscóban és Texasban nőtt fel, tinédzserkorában a kaliforniai Burlingame Középiskolába járt. Hároméves korától táncolt, korábban táncot is oktatott.
Színészi karrierje 2005-ben kezdődött egy kisebb szereppel a Talkers Are No Good Doers című filmben. 2006-ban több sorozatban is kapott kisebb epizódszerepeket, közte a Veronica Mars, Shark, Close To Home, Drake & Josh és a CSI: New York című sorozatokban is. 2007-ben szerepelt a Milo Ventimiglia által rendezett It’s Mall World című sorozatban, ahol Harpert alakította, majd később 4 epizód erejéig a Hősökben formálta meg Debbie Marshallt.
2008-ban felkérték a Gyilkos számok című sorozatba, hogy alakítsa Kelly Randot egy epizódszerep erejéig. 2009-ben kapott még 2 kisebb epizódszerepet az A Fuchsia Elephant és a Dinner with Raphael című sorozatokban. Ezeken kívül a Celebrities Anonymous című filmben Sadie-t alakította, de ez sem hozta még meg neki a sikert. Később jött a nagy áttörés: megkapta Quinn Fabray szerepét a Glee – Sztárok leszünk! című sorozatban. Ebből Magyarországon az első évadot vetítette az egyik kereskedelmi televízió. 2010-ben szerepelt a The Romantics-ban (itt Minnow-t játszotta), a Bold Native'-ben (Samantha) és a The Hunters-ben (Alice szerepében).
2010-ben Dianna Agron rendezte Thao első, Body című videóklipjét. Dianna és Thao a Chickens in Love zenekarukkal lépnek fel kisebb koncerteken. 2010-ben kisebb filmszerepet kapott a Burlesque című filmben, Cher, Christina Aguilera és Stanley Tucci mellett.