La madre fa la fotografa, il padre è ingegnere. Diane si sente subito attratta dal mondo dello spettacolo e si iscrive ai corsi di recitazione del Santa Ana College. In quegli anni, prima di portarla con sé a un provino, un agente propone alla sconosciuta Diane di fingere un'inesistente parentela con Buster Keaton. Diane accettò di darsi un cognome d'arte che richiamasse un mito della storia del cinema (e che, tra l'altro, era anche il cognome di sua madre da nubile) ma rifiutò di ottenere vantaggi. Come ammise molti anni dopo in un'intervista: "mi sentivo troppo sofisticata per simili trucchetti californiani".

La conoscenza di Woody
A diciannove anni si trasferisce a New York e inizia a studiare recitazione alla Manhattan's Neighborhood Playhouse School of the Theater: nel 1968 riuscì a ottenere una parte rimpiazzando una delle protagoniste nella prima rappresentazione teatrale del celebre musical "Hair". La leggenda narra che i critici la notarono e apprezzarono la sua prova perché fu l'unica fra le attrici in scena a non essersi spogliata. Proprio a Broadway nel 1969, tra una lezione di dizione e una prova in palcoscenico, conosce Woody Allen che la volle al suo fianco nello spettacolo "Provaci ancora Sam". Da questa esperienza nasceranno un sodalizio artistico che vedrà i due impegnati in alcune delle pellicole più riuscite del regista newyorkese e anche una relazione che col passare degli anni finì per diventare sempre più turbolenta. Nel 1970 fa il suo debutto come attrice cinematografica con una particina nella riuscita commedia Amanti e altri estranei diretta da Cy Howard. Nel 1972 affianca Woody Allen nella versione cinematografica di Provaci ancora Sam: un piccolo gioiello che, rispetto alla versione teatrale approfondisce la parodia cinefila riprendendo e stravolgendo molte scene di Casablanca di Curtiz.

Il battesimo hollywoodiano
Il 1972 è l'anno che la fa entrare definitivamente nell'olimpo del cinema: viene scelta da Francis Ford Coppola per interpretare il ruolo di Kay Adams, la moglie di Michael Corleone, ne Il Padrino, uno dei successi più clamorosi della storia del cinema. La Keaton si ritrova a recitare sul set con gente del calibro di Marlon Brando, Al Pacino, James Caan, Robert Duvall, Sterling Hayden e John Cazale, un autentico battesimo di fuoco. E la sua prova, il suo viso angelico che sembra sempre sul punto di nascondere qualcosa di oscuro e di temibile le fanno spesso conquistare la scena all'interno di una pellicola che è soprattutto una grande prova di attori. Lo stesso Coppola dichiarò pochi mesi dopo l'uscita del film: "Ho voluto realizzare il film con uno stile classico e semplice, senza movimenti di macchina complicati né zoom, in modo da evocare i film degli anni Quaranta, ma anche per lasciare la tecnica da parte e permettere agli attori una maggiore libertà d'espressione". Nel 1974 uscirà il secondo capitolo di quella che è stata concepita come un'autentica saga mentre per il terzo bisognerà aspettare fino al 1990, un racconto che sintetizza gli ultimi cinquant'anni di storia americana, da terra promessa a terreno fertile per corruzione e tradimento: nel corso delle oltre sette ore di racconto il ruolo della Keaton diventa sempre più predominante al fianco di Michael Corleone, non limitandosi a essere 'solo' la moglie di un boss mafioso ma divenendone sempre più spesso il consigliere e il confidente. Solo un paio di curiosità: nell'anno che passò tra la fine delle riprese del primo Padrino e l'inizio della produzione del secondo, la Keaton si sottopose a un intervento di chirurgia plastica al naso. E poi: il compenso della Keaton per Il Padrino del 1972 fu di 35.000 dollari, per la terza parte del 1990 fu di 1.500.000 di dollari.

Annie sì, Woody non più
Dal 1973 inizia a essere l'attrice di Woody Allen e la sua musa ispiratrice: nei sei anni successivi reciterà ne Il dormiglione, Amore e guerra, Io e Annie, Interiors e Manhattan. Soprattutto Io e Annie e Manhattan resteranno due delle gemme più preziose della filmografia alleniana e la presenza della Keaton, come già detto compagna anche nella vita del regista, darà un tono più vero e autobiografico alle pellicole. Se Manhattan è una straordinaria dichiarazione d'amore per New York, con un bianco e nero che raggiunge vette di lirismo impensabili, Io e Annie è una tenera storia d'amore travestita da commedia in cui Allen e la Keaton formano una delle coppie più affiatate della storia del cinema. Finalmente anche la critica celebra le sue capacità: vincerà l'Oscar e il Golden Globe come migliore attrice protagonista e svariati altri premi. Grazie alla sua bellezza anticonvenzionale e al suo spirito libero, la Keaton si è sempre ritrovata a recitare nei panni di donne brillanti, forti e indipendenti, che riflettono la vera natura della donna Diane Keaton, e che le diedero l'opportunità di dimostrare un'intensa quanto spontanea carica attoriale.
Nel 1980 finì la sua storia d'amore con Woody Allen e l'anno successivo iniziò quella con l'attore che la diresse in Reds: Warren Beatty, pellicola per cui ottenne un'altra nomination per l'Oscar. La parte che Beatty le affida è probabilmente la più complessa della sua carriera: la Keaton interpreta Louise Bryant, compagna di John Reed, il giornalista americano che dal 1915 al 1920 è stato direttamente coinvolto nella rivoluzione sovietica e nel dibattito della Seconda Internazionale. La pellicola è tratta dal romanzo I dieci giorni che sconvolsero il mondo e, oltre che rivelare le doti registiche di Beatty, confermò il talento della Keaton, perfetta nel destreggiarsi all'interno di luoghi chiusi e tutt'altro che spettacolari.
Sarà diretta nel 1982 da Alan Parker in Spara alla luna e da Gillian Armstrong in Fuga d'inverno nel 1984, film in cui la Keaton ha un ruolo complesso e affascinante: è la moglie del direttore di un carcere impegnata a confortare i detenuti e che finisce per innamorarsi di uno di loro. Nel 1987 ritorna a lavorare con Woody Allen in Radio Days, operazione nostalgica in tutti i sensi: per Allen che ritorna con la memoria agli anni della sua infanzia e per la Keaton che si deve misurare sul set con quella che diventerà la compagna storica di Allen, Mia Farrow. Decisamente notevole la sua performance come cantante. Sarà nuovamente diretta da Allen nel 1993 in Misterioso omicidio a Manhattan, riuscita commedia degli equivoci in cui la Keaton, chiamata per rimpiazzare proprio la Farrow, si muove con disinvoltura e leggerezza. E nel frattempo troverà il tempo anche per iniziare una relazione con Al Pacino.

Debutto alla regìa
Nel 1995 ha debuttato nella regia con il film Eroi di tutti i giorni, premiato a Cannes nella sezione Un certain regard. La Keaton aveva mosso i primi passi come regista circa dieci anni prima con il bizzarro documentario Heaven (in cui la Keaton va in giro chiedendo alla gente che incontra come si immagina che sia l'aldilà) e in seguito avrà modo di fare altre esperienze come regista: dai video musicali ad episodi di serial tv come Twin Peaks e China Beach.
Nel 1987 arrivò il successo di Baby Boom per la regia di Charles Shyer, commedia in cui una Keaton quarantunenne in gran forma interpreta una yuppie trentenne costretta a prendersi cura di una bambina di due anni. Lo stesso Shyer la dirigerà altre due volte fra il 1991 e il 1995 nei due episodi de Il padre della sposa. Nel 1996 fece parte dello spumeggiante terzetto di protagoniste (le altre erano Bette Midler e Goldie Hawn) dell'esilarante Il club delle prime mogli, sorta di sit-com per il cinema che forse manca le sue ambizioni femministe ma che di sicuro strappa più di un sorriso. Riceverà altre due nomination all'Oscar per un paio di pellicole piuttosto riuscite, lontane dai capolavori degli anni Settanta ma che comunque le permettono di sfoderare due interpretazioni tutta grinta: ne La stanza di Marvin è una malata di leucemia costretta a chiedere l'aiuto della sorella con cui ha tagliato i ponti da vent'anni mentre in Tutto può succedere 'subisce' la corte di uno strano e inguaribile playboy cui riuscirà quasi a far cambiare idea sulle donne. E nonostante i suoi cinquantasette anni, il suo nudo integrale, oltre che coraggioso, dimostra come la Keaton sia ancora una splendida donna.
Diane Keaton è l'essenza dell'immagine della donna trasversale, trendy ma al tempo stesso autentica e sincera nel corso degli anni. Dal suo inconfondibile stile shabby chic al fianco di Woody Allen al tailleur con gonna e bellissime gambe da donna manager in Baby Boom al pancione di mamma attempata ne Il padre della sposa 2 fino al twin set con perle di Tutto può succedere e ai suoi guanti che indossa praticamente sempre.

Maturità artistica
Torna alla regìa nel '99 con Avviso di chiamata, ma sarà un insuccesso e conseguentemente la sua ultima creazione. Continua invece freneticamente la carriera d'attrice: è in Un amore speciale ('99), Amori in città... e tradimenti in campagna (2001) e Tutto può succedere (2003). Nel 2005 è ne La neve nel cuore, diretta da Thomas Bezucha e poi nel drammatico Arrenditi Dorothy e Mama's Boy.
Perché te lo dice mamma (2007) e Mamma ho perso il lavoro 2008) le hanno cucito addosso il ruolo di madre, che sveste nel 2010 con Il buongiorno del mattino, in cui è una svampita e sfiorita ex reginetta di bellezza. In The Look of Love sarà una vedova che si innamora di Ed Harris. Negli ultimi anni è spesso protagonista di commedie, come Big Wedding, Ruth & Alex - L'amore cerca casa e Mai così vicini di Rob Reiner.
Un corpo recitante, una femminilità sempre espressa anche attraverso il look, un look accuratamente aderente ai suoi personaggi, ma anche alla Keaton come donna. Una donna in cui una spettatrice può facilmente identificarsi per via della sua capacità camaleontica, per via del suo stile sempre ricercato e mai fuori moda, per via della sua perenne modernità.