Diane je rođena u Los Angelesu, kao najstarije od četvero djece. Njezin otac Jack Hall bio je inženjer, a majka Dorothy Keaton domaćica i fotografkinja amaterka. Diane je pod majčinim utjecajem odgojena kao metodist. Želja za glumačkom karijerom javila se kad je vidjela majku kako osvaja dramsku nagradu "Gđa. Los Angeles" za domaćice. Keaton je tvrdila da ju je teatralnost događaja inspirirala da postane kazališna glumica. Kao jednu od inspiracija, navela je i Katharine Hepburn, kojoj se divila zbog uloga snažnih i neovisnih žena.

Tijekom srednje škole je sudjelovala u pjevačkim i glumačkim sekcijama i nastupila kao Blanche DuBois u školskoj produkciji Tramvaja zvan čežnja. Keaton je glumu studira u Neighborhood Playhouseu u New Yorku. 

1968. je postala zamjena u produkciji originalnog broadwayskog mjuzikla Kosa. Stekla je loše ime jer se nije htjela svući u dijelovima mjuzikla kad je cijela glumačka postava nastupala gola, iako je to ostavljeno na volju glumaca. (Oni koji su nastupali goli dobili su dodatnih 50 dolara). Nakon devetomjesečne produkcije Kose, prijavila se za ulogu u produkciji Zasviraj ponovno, Sam Woodyja Allena,  gotovo je odbijena jer je bila previsoka (5 cm više od Allena). Uloga joj je donijela nominaciju za nagradu Tony a između filmova, Diane je snimala reklame za dezodoranse.

Kum

Slavu je stekla ulogom Kay Adams, djevojke Michaela Corleonea (kojeg je glumio Al Pacino) u blockbusteru Francisa Forda Coppole iz 1972., Kum. Coppola je naglasio da je Keaton prvi put vidio u Ljubavnicima i drugim strancima te da ju je angažirao zbog njene ekscentrične reputacije koju je htio da unese u ulogu. (Keaton tvrdi da je u to vrijeme bila nazivana "šašavom glumicom" filmske industrije"). Njezina izvedba u filmu djelomično je temeljena na njenom stvarnom iskustvu snimanja filma, što je opisala kao biti "žena u svijetu muškaraca". Kum je osvojio Oscar za najbolji film. Dvije godine poslije je reprizirala svoju ulogu u Kumu II. Prvo nije bila sklona ideji o repriziranju uloge, navevši "Isprva sam bila skeptična o igranju Kay u nastavku Kuma. Ali nakon što sam pročitala scenarij, lik se doimao puno snažniji nego u prvom filmu." U nastavku se njezin lik dramatično promijenio jer je bio više ozlojeđen muževim aktivnostima. Iako je s oba filma stekla slavu, važnost njezina lika bila je minimalna. Time je napisao da je bila "nevidljiva u Kumu i blijeda u Kumu II".


Diane Keaton i Woody Allen 

Keatonini drugi filmovi sedamdesetih su uključivali mnoge suradnje s Woodyjem Allenom. Iako je u vrijeme kad su snimali filmove njihova veza bila gotova, glumila je mnoge ekscentrične likove u nekoliko njegovih humorističnih i dramskih filmova. Allen je u svojoj ranoj karijeri smatra svojom muzom.

1977. Keaton je nastupila s Allenom u romantičnoj komediji Annie Hall, u kojoj je igrala jednu od svojih najslavnijih uloga. Annie Hall je napisao i režirao Allen, njezin ljubavnik u to vrijeme, a za film se vjeruje da je autobiografija njegove veze s Keaton. Allen je djelomično lik temeljio na Keaton ("Annie" je njen nadimak, a "Hall" njezino originalno prezime). Allen je u ulogu ubacio mnoge od Keatononih manira i njezin smisao za humor na vlastiti račun. Keaton je rekla kako je Allen od lika stvorio njezinu "idealiziranu verziju". Film je postigao veliki komercijalni i kritički uspjeh i osvojio Oscar za najbolji film. Keatonina izvedba donijela joj je Oscar za najbolju glavnu glumicu. Časopis Premiere 2006. je naveo Keatoninu izvedbu u Annie Hall kao 60. najbolju svih vremena.

Keatonina ekscentrična odjeća u Annie Hall, koja je sastojala većinom od starinske muške odjeće, uključujući kravatu, vestu, vrećaste hlače i šešire s obodom, učinila ju je modnom ikonom kasnih sedamdesetih. Većina odjeće koja se može vidjeti u filmu je bila Keatonina, koja je bila poznata po svojem nestašnom načinu odijevanja i prije Annie Hall, iako su na kostimima u filmu radili Ruth Morley i Ralph Lauren. Ubrzo nakon objavljivanja filma, među ženama su postala popularna ženska odijela. Keaton je reprizirala svoju pojavu iz Annie Hall na dodjeli Oscara 2003. kad je došla u muškom smokingu i polucilindru. Postala je česta meta modnog kritičara Mr. Blackwella, našavši se pet puta na njegovom popisu najgore odjevenih.

Fotografija Douglasa Kirklanda s njom našla se 26. rujna 1977. na naslovnici Timea s pričom koja je opisuje kao "najduhovitiju ženu koja trenutno radi na filmu." Kasnije te godine je napustila komične uloge i prihvatila onu u drami Tražeći g. Goodbara, temeljenoj na romanu Judith Rossner. U filmu je glumila katoličku učiteljicu za gluhu djecu koja živi dvostrukim životom, provodeći noći u barovima za samce i upuštajući se u promiskuitetni seks. Isto izdanje Timea pohvalilo je njezin izbor uloga i kritiziralo ograničene uloge koje su dostupne glumicama u američkim filmovima:

"Glumac može biti pilot, boriti se u ratu, ubiti negativca, utjeloviti veliku zvjerku u biznisu ili politici. Za muškarce se pretpostavlja da su interesantni. Glumice mogu glumiti ženu, kurvu, zatrudniti, izgubiti dijete i, da vidimo ... Za žene se pretpostavlja da su zatupljene. ... Sada pozorni promatrač može istaknuti nekoliko novih filmova čiji redatelji misle da se žene same mogu hrvati s dramskom težinom produkcije. Onda je tu Diane Keaton u Tražeći g. Goodbara. Kao Theresa Dunn, Keaton dominira ovom riskantnom, nasilnom dramatizacijom romana Judith Rossner iz 1975. o učiteljici koja kruži barovima za samce."

Osim glume, Keaton je rekla "imam dugogodišnju ambiciju da budem pjevačica." U sedamdesetima je imala kratku, nerealiziranu karijeru kao pjevačica. Njezina prva ploča bila je snima originalne postave Kose 1971. Keaton je više uspjeha postigla s fotografijom. Kao i lik u Annie Hall, Keaton je fotografiranje bilo dugogodišnji hobi, zanimanje koje je pokupila kao tinejdžerica od majke. Dok je krajem sedamdesetih putovala počela je svoju razbibrigu uzimati ozbiljnije. 

"Rolling Stone me zvao da fotografiram za njih, i mislila sam, 'Čekaj malo, što mene zanima u ovim predvorjima, i ovim čudnim plesnim dvornama u ovim starim hotelima.' Pa sam ih počela slikati," objasnila je 2003. "Ta mjesta bila su napuštena, i mogla sam se ušuljati tamo kad sam htjela i nikog nije bilo briga. Bilo je tako lako i mogla sam sve sama napraviti. Bila je to pustolovina za mene." Reservations, njezina kolekcija fotografija hotelskih interijera, objavljena je 1980. u obliku knjige.

Kada su Diane i Woody okončali svoj dugi odnos počela je vezu s Warrenom Beattyjem, a dvije godine poslije on ju je angažirao za ulogu u Crvenima. New York Times je napisao da je Keaton bila "ništa manje nego veličanstvena kao Louise Bryant - prekrasna, sebična, duhovita i poletna. To je najbolje djelo koje je ostvarila do sada." Keaton je za film zaradila svoju drugu nominaciju za Oscara. Keaton je zamalo napustila projekt kad je pomislila da nikad ni neće biti dovršen jer se početak snimanja stalno odgađao...

Mala bubnjarica (1984.) je bio Keatonin prvi i neuspješni izlet u žanr akcijskog trilera. Dvije godine poslije je nastupila s Jessicom Lange i Sissy Spacek u Zločinima srca, humorističnoj adaptaciji drame Beth Hanley. 1987. je nastupila u Baby Boom, svojoj prvoj suradnji sa scenaristicom i producenticom Nancy Meyers. 

U devedesetima se počela pojavljivati u zrelijim ulogama, često igrajući žensku glavu obitelji iz srednje klase. Desetljeće je započela s The Lemon Sisters, slabo ocijenjenom humornom dramom u kojoj je nastupila i koju je producirala, a koja je godinu dana nakon završetka bila odgođena. 1991. je nastupila sa Steveom Martinom u obiteljskoj komediji Mladenkin otac. Umalo nije ni dobila ulogu jer je komercijalni podbačaj Dobre majke doveo do zategnutih odnosa između nje i studija Walt Disney Pictures, koji je financirao oba filma. Mladenkin otac je bio njezin prvi veliki hit nakon četiri godine komercijalnih razočaranja.

1995. je režirala film Neznani junaci, svoj prvi dugometražni film objavljen u kinima, prema memoarima Franza Lidza. U njemu su nastupili Nathan Watt kao dječak u šezdesetima čija majka (Andie MacDowell) obolijeva od raka. Kako se njena bolest pogoršava, a njegov otac izumitelj (John Turturro) postaje sve distanciraniji, dječak je poslan da živi s dva ekscentrična strica (Maury Chaykin i Michael Richards). 

Keatonin najuspješniji film desetljeća bio je Klub prvih supruga. Nastupila je s Goldie Hawn i Bette Midler kao trio "prvih supruga": srednjovječne žene koje su se razvele od svojih muževa jer su oni tražili mlađe žene. Keaton je izjavila da joj je snimanje ovog filma "spasilo život". 

 Keatonin prvi veći hit nakon 1996. došao je s filmom Nancy Meyers iz 2003., Ljubav nema pravila, s Jackom Nicholsonom. Nicholson (66) i Keaton (57) su se činili kao hrabar izbor za glavne uloge u romantičnoj komediji. Keaton je glumila srednjovječnu dramaturginju koja se zaljubljuje u mnogo starijeg dečka svoje kćeri. Film je ostvario veliki komericijalni uspjeh, zaradivši 125 milijuna dolara samo u Sjevernoj Americi. Roger Ebert je napisao da su "Keaton i Nicholson unijeli toliko iskustva, znanja i humora u svoje likove da film funkcionira na način na koji se scenarijem uopće nije računalo." Sljedeće godine Keaton je za ulogu četvrti put nominirana za Oscara.

Istaknula se i kao agent za nekretnine. Prodala je nekoliko imanja u Južnoj Kaliforniji nakon što ih je renovirala i redizajnirala. Jedna od njenih klijentica je Madonna, koja je za 6,5 milijuna dolara 2003. od Keaton kupila imanje na Beverly Hillsu.

Diane Keaton je majka dvoje djece: djevojčice nazvane Dexter (posvojene 1996.) i dječaka Dukea (posvojenog 2001.).

Woody Allen jednom je rekao za nju, "Vjeruje u Boga, ali vjeruje i to da radio radi zato što se u njemu nalaze sićušni ljudi."