Filha mais velha de quatro filhos, Diane Hall seguiu os passos de sua mãe, a atriz Dorothy Hall, ganhadora do concurso Sra. Los Angeles. Dorothy compartilhou a alegria com a futura estrela do cinema no Teatro Highland Park. Diane iniciou sua formação artística no Santa Ana College, fez cursos na Universidade do Sul da Califórnia e completou seus estudos em arte dramática no The Neighborhood Playhouse, em Nova York. Foi lá que decidiu adotar o nome artístico de Diane Keaton, em homenagem ao nome de solteira de sua mãe.

Em 1968, Diane fez seu primeiro trabalho profissional no elenco original de Hair, na Broadway. Quase um ano depois, ela se juntou à comédia Sonhos de um Sedutor, de Woody Allen, recebendo uma indicação ao Tony. Curiosamente, ela também participou da adaptação cinematográfica desse texto em 1972. Sua estreia no cinema, no entanto, aconteceu em 1970, com As Mil Faces do Amor, dirigido por Cy Howard. No mesmo ano, Diane apareceu em séries como Galeria do Terror, O Jogo Perigoso do Amor, Mannix e FBI.

Foi em O Poderoso Chefão (1972), no papel de Kay Adams, namorada de Michael Corleone (Al Pacino), que a carreira de Diane Keaton e sua vida mudaram para sempre. Além de protagonizar a versão cinematográfica de Sonhos de um Sedutor, Diane iniciou um relacionamento com Woody Allen, parceria que a levou a conquistar o Oscar de Melhor Atriz por Noivo Neurótico, Noiva Nervosa (1977). Com Allen, ela também trabalhou em outros grandes filmes, como O Dorminhoco (1973), A Última Noite de Boris Kruchenco (1975), Interiores (1978), Manhattan (1979), e A Era do Rádio (1987).

Diane também foi indicada ao Oscar de Melhor Atriz em outras três ocasiões: Reds (1982), As Filhas de Marvin (1997) e Alguém Tem Que Ceder (2004). Além disso, foi indicada ao Emmy por seu trabalho no telefilme A Rainha do Ar, sobre a aviadora Amelia Earhart, em 1995.

Outros grandes momentos da carreira de Diane Keaton no cinema incluem O Poderoso Chefão – Parte 2 (1974), O Poderoso Chefão – Parte 3 (1990), À Procura do Sr. Goodbar (1977), As Filhas de Marvin (1996), O Clube das Desquitadas (1996), O Pai da Noiva (1991) e sua continuação, O Pai da Noiva 2 (1995), Presente de Grego (1987), Do Jeito que Elas Querem (2018) e sua continuação, Do Jeito que Elas Querem 2 (2023).

Diane Keaton também trabalhou nos bastidores, dirigindo episódios de China Beach (1990), Twin Peaks (1991) e Pasadena (2001), além de dirigir a comédia romântica Linhas Cruzadas (2000). Ela também foi produtora de Elefante (2003), filme de Gus Van Sant.

Em 2017, Diane Keaton foi homenageada pelo American Film Institute pelo conjunto de seu trabalho no cinema e na televisão.

Ela construiu sua casa de tijolos vermelhos em Sullivan Canyon, uma área de 740 metros quadrados, inspirada no conto de Os Três Porquinhos. Diane deixa seus filhos adotivos: Dexter, adotada em 1996, e Duke, adotado em 2001. Diane nunca se casou, dizendo ser excêntrica, mas teve relacionamentos com Woody Allen, Warren Beatty (com quem trabalhou em Reds) e Al Pacino.

Contrariando rumores, Diane não era irmã de Michael Keaton. Embora ambos tenham mudado seus nomes artísticos devido a uma atriz já registrada com o nome de Diane Hall, Michael fez a mesma alteração, já que seu sobrenome original era Douglas.