Diane Keaton Los Angelesben született Diane Hall néven, apja mérnök, anyja félhivatásos fényképész (és korábbi Mrs. Los Angeles) volt. Diane ötévesen már a templomi kórus tagja, később szólistája volt. Konzervatív nevelést kapott, de erős egyénisége és különc stílusa nem tűrte a korlátokat. Mindent kitalált, hogy magára vonja a figyelmet, fekete neccharisnyával és fehér ajakrúzzsal botránkoztatta meg szüleit. Kaliforniában tanulta ki a színjátszás elméletét, majd egy kis New York-i színházban a gyakorlatát, ekkor vette fel anyja családnevét, mert a színész céhnek már volt egy Diane Hall nevű tagja. Pályatársai közül Buster Keaton és Michael Keaton csak névrokona, a Michael Douglas néven született utóbbi azért választotta a Keaton művésznevet, mert tetszett neki Diane.
A színésznő 1968-ban beugróként került a Hair című musicalbe a Broadwayn. Nemsokára eljátszhatta Woody Allen Játszd újra, Sam! című vígjátékának egyik főszerepét, alakításáért a színházi Oscarnak nevezett Tony-díjra jelölték. Keaton arcát reklámokból ismerte meg a széles közönség, felvevőgép elé 1970-ben állt először, a kiugrást 1972-ben Francis Ford Coppola A Keresztapa című filmje jelentette számára.
Ugyanabban az évben a Woody Allen rendezte Játszd újra, Sam! filmváltozatában szerepelt, kettejük között a színfalak mögött románc szövődött. 1977-ben előbb a Nappalok és éjszakák című drámában cáfolt rá az őt komikaként elkönyvelőkre, majd ugyanabban az évben Allennel forgatta az Annie Hallt: a pár nyíltan önéletrajzi ihletésű filmje keserédes, lélekmelengető vígjáték, a cím a színésznőre utal: a Hall eredeti neve, az Annie pedig a beceneve.
Sokak szerint ebben nyújtotta élete legnagyobb alakítását, amelyet Oscar-díjjal jutalmaztak, ráadásul a filmben viselt ruháival és frizurájával divatot teremtett.
Woody Allen egyszer így jellemezte:
A való életben Keaton hisz Istenben. De abban is hisz, hogy a rádió azért működik, mert kis emberkék vannak benne.
A siker nyomán a legnagyobbak közé emelkedett Keaton a következő két évben csak két filmet vállalt el, ezeket is Woody Allen rendezésében: a Belső terek bergmani lélektani dráma, a Manhattan pedig az Annie Hall-téma variációja. Útjaik ezután a szakmában és a magánéletben is szétváltak, jóllehet később is többször, összesen nyolc filmben dolgoztak együtt. Allen helyébe mindkét téren Warren Beatty lépett, akinek Vörösök című filmjében egy újságírónőt alakított, s 1981-ben ismét Oscarra jelölték. 1987-ben újra Woody Allennel dolgozott A rádió aranykorában, majd a Baby Boom című filmben alakított egy menedzsernőt, akinek életét az változtatja meg, hogy „örököl” egy gyermeket. Szerepelt A Keresztapa harmadik, az Örömapa mindkét részében és az Elvált feleségek klubja című vígjátékban, a fajsúlyosabb Marvin szobájáért 1996-ban újra Oscar-díjra jelölték.
A kamera másik oldalán először 1986-ban próbálta ki magát, amikor megrendezte a Mennyország című dokumentumfilmet.
Később ő rendezte a Twin Peaks című nagy sikerű tévésorozat egyik epizódját és több zenei videót is. 1995-ben készítette első egész estés játékfilmjét, az Álmok hősei című filmdrámát, 2000-ben a parádés szereposztású Női vonalak munkálatait irányította. Játszott Allen Rejtélyes manhattani haláleset című alkotásában, hangját adta a Nicsak, ki beszél most! című filmhez, s több animációs alkotáshoz. Közel a hatvanhoz még mindig szexis és elbűvölő asszonyként csavarta el Jack Nicholson fejét a Minden végzet nehéz című romantikus drámában, alakításáért negyedszer jelölték Oscarra.
Diane Keaton egyszer így nyilatkozott az öregedésről:
A vénségnek van egy előnye is: már meglátom abban is a szépséget, amiben korábban észre sem vettem. De csak azért, mert az elvárásaim sokkal földközelibbek.
Az utóbbi másfél évtizedben romantikus vígjátékot (Kőkemény család; Férjhez mész, mert azt mondtam; Ébredj velünk; A nagy nap; Szerelem a végzetem; Káosz karácsonyra; Hampstead) és filmdrámát (Egy drága társ; Ruth és Alex) egyaránt forgatott. Nagy sikerrel szórakoztatott a négy hatvanas éveit taposó barátnőről szóló vígjátékban (Könyvklub), majd a Pompon klubban egy nyugdíjasotthon lakójaként egy idősekből álló pomponcsapat tagjaként komédiázott önfeledten. Szerepet vállalt olyan népszerű sorozatban, mint Az ifjú pápa.
Pályája során számos alkalommal formált meg érzékeny, okos és humoros, ugyanakkor excentrikus, szabad szellemű, független gondolkodású nőket, a kritikák elsősorban átváltozóképességét emelik ki.
A legrangosabb kitüntetésekkel büszkélkedhet: Oscar-díja mellett két Golden Globe-díj tulajdonosa, megkapta a brit filmakadémia díját és több életműdíjjal is elismerték.
A színésznő 2017-ben, az Amerikai Filmintézet életműdíjának átvételekor így nyilatkozott:
Számomra ez az esküvőm, amely sohasem volt és a nyugdíjazási bulim, melyet soha nem akartam.
Több kollégája volt társa a magánéletben, de soha nem ment férjhez, ötvenévesen két gyermeket fogadott örökbe. Magánéletével kapcsolatban azt mondta:
Az én szerelmi koncepcióm nagyon gyerekes volt, soha nem képzeltem el magamat valaki mellett. Úgy néztem magamra, mint valakire, akit szerethetnek. De ez sem működött.
A színészet és a rendezés mellett érdekli a fotózás és díszlettervezés. Öltözködésének fiatal kora óta nagy figyelmet szentel, ruházatának elmaradhatatlan kelléke – évszaktól függetlenül – a kesztyű és a kalap, leginkább a fehér színt kedveli, s akárcsak Marlene Dietrich és Katharine Hepburn, rendszeresen hord nadrágkosztümöt.
Önéletrajzi könyve 2012-ben magyarul is megjelent.
