本名はダイアン・ホール。芸名のキートンは母親の旧姓からとった。ニューヨークのネイバーフッド・プレイハウス演劇学校で名指導者サンフォード・マイズナーのもとで演技を学ぶ。舞台女優としてキャリアをスタートさせ、ウッディ・アレン作のブロードウェイ劇「Play it Again, Sam」（69）でトニー賞ドラマ部門の女優賞にノミネートされる。1970年、「ふたりの誓い」で映画デビューし、続く「ゴッドファーザー」（72）で広く知られるようになり、続編2作にも出演する。「Play it Again, Sam」を映画化した「ボギー！俺も男だ」（72）を経て、アレン監督・主演の「スリーパー」（73）でヒロイン役を演じた。私生活でも恋人となったアレンのミューズとして活躍し、「アニー・ホール」（77）ではアカデミー主演女優賞を受賞する。主演作「ミスター・グッドバーを探して」（77）も高く評価され、当時の恋人だったウォーレン・ベイティ監督・脚本・主演作「レッズ」（81）で再びアカデミー主演女優賞にノミネートされた。女優として活躍する一方で、監督業にも進出し、ドキュメンタリー映画「ダイアン・キートンの ウェルカム・トゥ・ヘヴン」（87・日本劇場未公開）やデビッド・リンチ監督のカルトドラマ「ツイン・ピークス」の1エピソード（91）、ヒューマンコメディ「想い出の微笑」（95・日本劇場未公開）などのメガホンをとる。その他、メリル・ストリープ、レオナルド・ディカプリオ共演の「マイ・ルーム」（96）、ナンシー・マイヤーズ監督の「恋愛適齢期」（03）でもアカデミー主演女優賞にノミネートされた。