Fue educada en el Santa Ana College de California y recibió formación profesional en el Neighborhood Playhouse de Nueva York. La primera vez que se subió a un escenario lo hizo para participar en los coros del musical "Hair".
Su primer papel importante le llegó cuando Woody Allen la escogió para actuar junto a él en una obra teatral, "Sueños de un seductor". Poco después esta relación profesional pasó al plano sentimental y Diane Keaton formó pareja del reputadísimo actor y director. A partir de entonces ella se convertiría en su musa y en la actriz principal de las producciones de Allen. Incluso después de finalizar su relación, Diane Keaton ha sido una presencia casi obligatoria en todos los rodajes de Woody Allen.
Su carrera alcanzó su punto álgido durante la década de los setenta con la película "El padrino" de Francis Ford Coppola (más tarde intervendría en las dos siguientes películas de la saga). El mismo año de "El padrino" rodó la versión cinematográfica de la obra "Sueños de un seductor" a las órdenes de Woody Allen
En 1977 le fue concedido un Oscar por "Annie Hall" película a la que prestó su propio apellido.
Hasta el momento ha sido nominada dos veces más al galardón, la primera de ellas por la película "Rojos", dirigida y protagonizada por Warren Beaty. La segunda vez por el drama "La habitación de Marvin".
En 1987 Diane Keaton debutó como realizadora de una producción llamada "Heaven". Además de su carrera de actriz es también una reputada fotógrafo y directora de televisión. De su vida sentimental hemos de destacar un rumor acerca de su sonado romance con el también actor Al Pacino.
