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 – írja az MTI.

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 utál: 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.
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 ismét 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.