Diane Keaton, amatör bir fotoğrafçı olan Dorothy Deanne (Keaton) ile inşaat mühendisi ve emlak komisyoncusu olan John Newton Ignatius "Jack" Hall'un çocuğu olarak Los Angeles, Kaliforniya'da doğdu. New York'taki Neighborhood Playhouse'u tercih ederek okulu bırakmadan önce Santa Ana Koleji'nde tiyatro eğitimi aldı. Birkaç ay boyunca yaz stoğunda yer aldıktan sonra, Broadway rock müzikali "Hair"'de ilk büyük sahne rolünü aldı. Başrol oyuncusunun yedeği olarak hiçbir kıyafetini çıkarmayarak dikkatleri üzerine çekti. 1968'de Woody Allen onu Broadway'deki "Play It Again, Sam" oyununda oynattı ve bu oyun başarılı oldu. Bu dönemde Allen ile yakınlaştı ve onun birçok filminde rol aldı. Bunlardan ilki, sahne oyununun beyazperde uyarlaması olan Play It Again, Sam (1972) oldu. Aynı yıl Francis Ford Coppola onu Oscar ödüllü Baba (1972) filminde Kay rolünde oynattı ve yıldızlığa giden yolda ilerlemeye başladı. Bu rolü filmin ilk devam filmi olan Baba 2'de (1974) yeniden canlandırdı. Daha sonra Allen'la birlikte 200 Yıl Sonra (1973) ve Aşk ve Ölüm'de (1975) tekrar rol aldı. 1977'de komedi imajından sıyrılarak kendisine Altın Küre adaylığı kazandıran tüyler ürpertici Looking for Mr. Goodbar'da (1977) rol aldı. Aynı yıl, Allen'ın kendisi için özel olarak yazdığı (gerçek soyadı Hall, lakabı Annie'dir) Annie Hall (1977) filminin başrolünde, pek çok kişinin en iyi performansı olarak kabul ettiği bir performans sergiledi ve büyük bir etki yarattı. En İyi Kadın Oyuncu dalında Oscar ve İngiliz Ödülü'nü, Allen ise DGA'dan Yönetmen Ödülü'nü kazandı. Üniseks kıyafetleriyle bir moda akımı başlattı ve pek çok genç erkek için poster kızı oldu. Tavırları ve garip konuşması neredeyse ulusal bir çılgınlık haline geldi. Yine de sorulan soru şuydu: "O sadece kendini oynayan bir hafif sıklet mi, yoksa kişiliğinde daha fazla derinlik var mı? " Nedeni ne olursa olsun, sonraki iki yıl boyunca yılda sadece bir filmde yer aldı ve bu filmler Allen'ın filmleriydi. İkili ayrıldıktan sonra Warren Beatty ile birlikte oldu ve onun Reds (1981) filminde bohem kadın gazeteci Louise Bryant rolünde oynadı. Performansıyla Akademi Ödülü ve Altın Küre'ye aday gösterildi. 1980'lerin geri kalanında seyrek olarak filmlerde yer aldı ama bunların üçünde adaylık kazandı. İçine düştüğü tiplemeyi kırmaya çalışarak, The Little Drummer Girl'de (1984) Orta Doğulu teröristlerle ilişkiye giren kafası karışık, biraz saf bir kadın rolünü üstlendi. Diane film işlerinin eksikliğini gidermek için yönetmenliğe başladı. Heaven (1987) adlı belgeselin yanı sıra bazı müzik videolarını yönetti. Televizyon için popüler ama tuhaf İkiz Tepeler'in (1990) bir bölümünü yönetti.1990'larda daha olgun roller almaya başladı, ancak üçüncü "Godfather" destanı Baba III'te (1990) Kay Corleone rolünü yeniden canlandırdı. Gelinin Babası (1991) ve Gelinin Babası 2 (1995) filmlerinde Steve Martin'in eşi olarak rol aldı. 1993'te Bir Cinayet Sırrı'nda (1993) Woody Allen'la bir kez daha bir araya geldi ve çok beğenildi. 1995'te yönetmen olarak ilk büyük filmi olan Unstrung Heroes (1995) ile yüksek not aldı.