Diane fez o curso de artes dramáticas no Santa Ana College antes de estudar teatro em Nova Iorque. Depois de aparecer em ação no verão durante vários meses, Diane conseguiu entrar para o círculo principal de espetáculos da Broadway, participando do famoso musical de rock Hair (1968). Como atriz substituta, ganhou a atenção sem precisar tirar nenhuma peça de roupa em cena.
Em 1970 Woody Allen a fez aparecer novamente na Broadway, na peça Play It Again, Sam, que teve uma temporada de êxito. Foi nessa época que ela iniciou o duradouro relacionamento amoroso-profissional com Allen e apareceu em vários filmes dele. O primeiro foi a adaptação cinematográfica de Play It Again, Sam (1972). Naquele mesmo ano Francis Ford Coppola a escolheu para o papel de Kay no filme premiado com Oscar, The Godfather (1972), o que a colocou definitivamente a caminho do estrelato. Ela repetiu o papel na sequência, The Godfather: Part II (1974). Com Allen ela estrelou Sleeper (1973) e Love and Death (1975).
Em 1977 Diane mudou de estilo e apareceu num papel dramático no filme Looking for Mr. Goodbar (1977), ganhando uma nomeação ao Globo de Ouro. Era o mesmo ano em que ela teria o seu melhor desempenho nas telas, no papel-título de Annie Hall (1977), escrito por Allen especificamente para ela (marcado com asterisco nos créditos, com o nome real dela Diane Hall e o apelido Annie). Ganhou o Oscar e o prêmio britânico para Melhor Atriz e Allen ganhou o Prémio de Diretor do DGA.
Diane iniciou uma tendência com as roupas unissex usadas por ela, e era a imagem da garota ideal para muitos homens. As manias dela e a fala desajeitada se tornaram quase uma moda entre os americanos. Entretanto, muitos ainda se faziam a pergunta, Se ela seria só uma boa atriz representado a si mesma ou haveria mais profundidade em sua personalidade?. Quando Diane se separou de Allen, ela logo se envolveu com Warren Beatty, aparecendo juntos no filme dirigido por ele chamado Reds (1981). Foi a boêmia jornalista Louise Bryant. Pelo desempenho recebeu nomeações ao Oscar e ao Globo de Ouro. Durante os anos seguintes ela continuou sua carreira de sucesso, sendo indicado ao Oscar em mais três ocasiões.
Diane tentou uma nova virada na carreira ao assumir o papel de uma mulher confusa, um pouco ingênua, que se torna a ferramenta de terroristas do Oriente-Médio em The Little Drummer Girl (filme) (1984). Com a diminuição das ofertas de trabalho para atriz, ela tentou a direção. Dirigiu o documentário Heaven (1987), como também alguns vídeos de música. Para televisão ela dirigiu um episódio popular, mas estranho, da série Twin Peaks (1990).
Nos anos 1990 ela estava mais madura e repetiu o papel de Kay Corleone na terceira parte da trilogia de Coppola, The Godfather: Part III (1990). Voltou à comédia como a esposa de Steve Martin no remakeFather of the Bride (br: O Pai da Noiva), de 1991. Com o sucesso da parceria, eles voltariam em Father of the Bride Part II (br: O Pai da Noiva: Parte II), de 1995. Em 1993 ela estrelou mais um filme de Woody Allen, Manhattan Murder Mystery (1993), que foi recebido com simpatia pelo público. Em 1995 recebeu elogios com Unstrung Heroes (1995), que cuidou da direção. Em As Filhas de Marvin (1997) brilhou ao lado de Leonardo DiCaprio e Meryl Streep, recebendo uma indicação ao Oscar de melhor atriz.
Do ano 2000 em diante investiu em filmes que retratavam sua veia de atriz cômica, em Alguém Tem Que Ceder (2003) brilhou ao lado de Keanu Reeves e Jack Nicholson, sendo novamente indicada ao Oscar de melhor atriz.
Vida pessoal
Diane Keaton é a filha mais velha de Dorothy Deanne Keaton e de John Newton Hall. Ela tem duas irmãs, Dorrie Hall, Robin Hall e um irmão, Randy Hall. Diane adotou duas crianças, uma menina (Dexter Keaton) em 1996 e um menino ( Duke Keaton) em 2001.[carece de fontes?]. Embora Diane Keaton nunca tenha casado, ela viveu uma série de romances com atores da indústria cinematográfica. Após o término da relação com Woody Allen, ela namorou com Al Pacino e Warren Beatty. [carece de fontes?]. Ela não tem nenhum parentesco com Michael Keaton. Diane mudou o seu último nome para o nome de solteira da mãe (Keaton), porque o seu nome original Diane Hall já estava aparecendo no sindicato dos atores. De acordo com ela, Michael Keaton teve um problema semelhante com o nome natural (Michael Douglas) ao entrar no sindicato, entretanto ele escolheu "Keaton" porque ele gostou do nome de Diane.[carece de fontes?] Além de atuar, Diane Keaton também tem interesse em canto e em fotografia. [carece de fontes?]