Diane Keaton vlastním jménem Diane Hall se narodila roku 1946 v Kalifornii otci inženýrovi Johnonovi Ignatiusovi a matce fotografce Dorothy Deanne. Když její matka vyhrála cenu v Los Angeles jako nejlepší žena v domácnosti, tak se Diane rozhodla stát se herečkou kvůli teatrálnosti ceremoniálu. Začala tedy studovat na Santa Ana High School, kde se během svého studia stala součástí pěveckých a divadelních kroužků. Hned po promoci začala studovat herectví na Orange Coast College, kde vydržela pouze rok, protože se zároveň snažila zviditelnit v divadle. Živila se tím, že vystupovala po nočních klubech, kde zpívala.
V 70.letech se rozhodla vyzkoušet filmovou kariéru, jejím filmovým debutem je film Milenci a další cizinci (1970), Ve stejný rok se objevila i v reklamě na deodorant. Ve filmu si jí všiml režisér Francis Ford Coppola a o dva roky později se rozhodl obsadit jí do svého nového filmu Kmotr, kde si zahrála roli Kay Adams, budoucí manželku Michaela Corleoneho (Al Pacino). Tahle role se stala její průlomovou ve filmovém průmyslu. V 70.letech také začala spolupracovat s režisérem Woodym Allenem, se kterým natočila hned několik filmu včetně filmu Spáč (1973), Láska a smrt (1975), Manhattan (1979) a také film Annie Hallová (1977), který byl inspirovaný vztahem mezi Allenem a Keaton. Film se stal nejúspěšnějším filmem v Dianenině kariéře a taky jediným filmem, za který získala svého jediného Oscara.
V roce 1978 začala chodit s hercem Warrenem Beatty a o tři roky později si společně zahráli ve filmu Rudí (1981), za který Diane získala svou druhou nominaci na Oscara. V 80.letech si Diane Keaton zahrála hned v několika žánrech, navíc se tahle doba stala její nejúspěšnější, co se nominací týká. Za role v filmech Střílejte na měsíc (1983), Paní Soffelová (1985) a Baby Boom (1988) získala nominace na Golden Globe. Vyzkoušela si také post režisérky, když režírovala dokument Heaven (1987), jenž ukazuje možnosti o posmrtném životě.
90.léta začala pro Diane úspěšně a to s komedií Hlava rodiny (1991), kde si zahrála po boku Steva Martina. Také se opět objevila v pokračování Kmotr III. (1990) v roli Kay. V roce 1993 si opět zahrála s Woodym Allenem ve filmu Tajemná vražda na Manhattanu, její roli měla původně hrát herečka Mia Farrow, ta ale od projektu odstoupila hned poté, co se s Allenem rozešli. Jejím ale nejúspěšnějším filmem tohoto desetiletí byla komedie Klub odložených žen (1996), kde si zahrála po boku hereček Goldie Hawn a Bette Midler. Ve stejný rok si zahrála v úspěšném dramatu Marvinův pokoj, kde si zahrála roli Bessie trpící rakovinou a její sestru Lee si zahrála herečka Meryl Streep. Role Bessie jí přinesla další nominaci na Oscara.