Дайан Китон родилась в Лос-Анджелесе (США).
Отец будущей звезды был инженером-строителем, а мама – лучшей домохозяйкой Лос-Анджелеса. Столь почетный титул Рэнди Холл получила на конкурсе «Миссис Лос-Анджелес». Как это ни удивительно, однако именно это красочное шоу заставило маленькую Дайан впервые задуматься о карьере актрисы. Девочка дала себе обещание стать известной звездой и стала один за другим просматривать старые фильмы с Кэтрин Хепберн, которые были для нее словно наглядное пособие по актерской игре.
Драматическое искусство она изучала в колледже Санта-Аны, затем - в школе при театре «Neighbourhood Playhouse» в Нью-Йорке. Первую заметную роль в театре Дайан Китон исполнила в 1968 году в бродвейском рок-мюзикле «Волосы». В 1970 году актриса дебютировала в кино фильмом «Любовники и другие незнакомцы». На следующий год сыграла главную роль вместе с Вуди Алленом в бродвейской постановке «Сыграй это снова, Сэм». В течение нескольких лет она была любовницей и другом Аллена и в 1970-х снялась в нескольких его фильмах, которые зеркально отражали внеэкранные отношения этой пары. Она с естественной неловкостью ухватила образ городской американской женщины и задала модную тенденцию, особенно фильмом «Энни Холл» (1977), за который получила «Оскара».
Внимание публики к Китон привлекло участие в блокбастере Ф.Ф.Копполы «Крестный отец» (1972), в котором она исполнила роль Кэй Адамс. Впоследствии актриса снималась и в продолжениях этой гангстерской саги.
В 1977 году актриса попыталась отойти от комедийных ролей и снялась в триллере «В поисках мистера Гудбара»; за эту роль она была номинирована на «Золотой глобус». После расставания с Вуди Алленом у Китон завязался роман с Уорреном Битти; у него она снялась в драме «Красные», удостоившись за роль Луиз Брайант номинации на «Оскар».
Стремлением к созданию более реалистических характеров отмечены ее работы в фильмах «Сердечные страсти» («Преступления сердца»), «Клуб первых жен», «Комната Марвина». Удачей актрисы стала роль Нины в комедиях «Отец невесты» и «Отец невесты-2», где ее партнером был Стив Мартин. В 1987 году, после долгого перерыва, Дайан Китон вновь снялась у Вуди Аллена - сначала в «Днях радио», а затем последовал детектив «Загадочное убийство в Манхэттене» (1993).
В 1987 году Дайан Китон дебютировала в качестве режиссера, сняв по своему сценарию документальную ленту «Небеса «. Затем она поставила один из эпизодов знаменитого серила «Твин Пикс», а в 1995 году сняла полнометражную драму «Unstrung Heroes», за которую удостоилась высоких оценок критики.
В 2000 году на экраны вышла комедия «Отбой», поставленная Дайан Китон. Кроме того, она также сыграла одну из главных ролей - вместе с Мег Райан, Лайзой Кудроу и Уолтером Маттау.
В 2003 Китон была вновь номинирована на «Оскар» как лучшая актриса за роль в фильме «Любовь по правилам и… без».
Эта женщина не скрывает возраста и при этом умудряется оставаться сексуальной и привлекательной в свои 58, 59, 60 и т.д. лет. Есть ощущение, что с возрастом Дайэн Китон стала куда более раскрепощенной: в 1968-м, играя на Бродвее знаменитый мюзикл «Волосы», она отказалась раздеться на сцене. А 36 лет спустя - разделась. Но не только за смелость Дайан номинировали на «Оскара»: в «Любви по правилам и... без» ей удалось невозможное: переиграть самого Николсона. Помимо достижений в мире кино, Китон известна своим резко отрицательным отношением к пластической хирургии. С 2006 года она является лицом косметической фирмы «L'Oreal».
Дайан никогда не выходила замуж. В возрасте 50 лет усыновила девочку, а мальчика - когда ей стукнуло 55. Всем своим видом Китон показывает, что после 50 жизнь женщины только начинается.
Помимо достижений в мире кино, Китон известна своим резко отрицательным отношением к пластической хирургии. С 2006 года она является лицом косметической фирмы «L'Oreal».
Лишь только в последние годы карьера актрисы стала несколько сбавлять обороты. Словно устав от постоянной кутерьмы, Дайан Китон стала сниматься значительно реже. В 2008-м году была выдвинута на Золотую малину за фильм «Я так хочу». Однако впоследствии сумела-таки исправиться и порадовала своих давних поклонников еще несколькими интересными ролями. К числу таковых стоит отнести фильмы «Шальные деньги» и «Доброе утро», которые получили довольно высокие отзывы критиков.
Кроме того, в 2000-е году актриса часто работает в качестве продюсера и режиссера. В этом качестве одной из наиболее интересных работ Дайан Китон является сериал «Пасадена», который стал довольно популярен. В нем также снимались Дана Дилэйни, Мартин Донован, Бальтазар Гетти и др.
В 2013 году вышел фильм «Большая свадьба». В нем Дайан снималась вместе с такими звездами, как Роберт Де Ниро, Кэтрин Хейгл, Сьюзен Сарандон и др. Что касается планов на будущее, то здесь все также обстоит довольно неплохо. В 2014-м году американская актриса появилась в мелодраме «А вот и она», а также в драматической ленте «Сама жизнь». В каждом из этих фильмов Дайан Китон сыграла главные роли.