Insieme alle colleghe Faye Dunaway, Barbra Streisand, Jacqueline Bisset, Charlotte Rampling, Susan Sarandon, Jessica lange e Meryl Streep, è giustamente considerata una fra le migliori attrici americane della sua generazione.

Nata a Los Angeles - in California - nel 1946, Diane Hall - meglio nota con il nome d’arte Diane Keaton, da lei stessa scelto in omaggio al grande Buster Keaton -, molto legata alla caratterizzazione della donna indipendente, volubile, timida e a volte un po’ nevrotica, molto abile nell’alternare il registro brillante a quello più drammatico, esordisce al cinema in un ruolo secondario in Amanti e altri estranei (1970) di C. Howard, per poi interpretare la fidanzata (e poi moglie) di Michael Corleone (Al Pacino) ne Il Padrino (1972) di Francis Ford Coppola.

Nello stesso anno mostra tutto il suo talento comico recitando con Woody Allen nell’esilarante Provaci ancora, Sam (1972), scritto e interpretato da Woody Allen e diretto da Herbert Ross. Il sodalizio con il regista e attore newyorkese la porterà ad esser protagonista di tutti i suoi film degli anni Settanta (Il dormiglione - 1973 -, Amore e guerra - 1975 -, Io e Annie - 1977 -, con cui vince l’Oscar come Miglior Attrice Protagonista, Interiors - 1978 -, Manhattan - 1979 -, con cui ottiene una Nomination all’Oscar come Miglior Attrice Protagonista).

Anche in epoche successive tornerà a lavorare con Woody Allen in Radio Days (1987) e in Misterioso omicidio a Manhattan (1993).

Nell’81 interpreta Spara alla luna di Alan Parker e Reds, diretto e interpretato da Warren Beatty.

Fra gli altri film ricordiamo Il Padrino - Parte II (1974) di Francis Ford Coppola, il bellissimo In cerca di Mr Goodbar (1977) di Richard Brooks, in cui lavora con un giovane Richard Gere pre American Gigolo e Ufficiale e gentiluomo, La tamburina (1984) di George Roy Hill, Fuga d’inverno (1984) di Gillian Armstrong, Crimini del cuore (1986) di Bruce Beresford, la commedia Baby Boom (1987) di Charles Shyer, in cui lavora con Sam Shepard, Diritto d’amare (1987) di Leonard Nimoy (il dottor Spock di Star Trek), Il Padrino - Parte III (1990) di Francis Ford Coppola,  Il padre della sposa (1991) di Charles Shyer, rifacimento dell’omonimo film di George Cukor del 1950, e in cui lavora con Steve Martin, La stanza di Marvin (1996) di Jerry Zaks, Amori sospesi di Peter Masterson, La neve nel cuore (2005) di Thomas Bezucha.

A partire dagli anni Ottanta la sua carriera prosegue fra alti e bassi. Nell’87 dirige il documentaristico Paradiso e, all’inizio degli anni Novanta, torna dietro la macchina da presa per alcune serie televisive.

Nel ’95 dirige Eroi di tutti i giorni che, con la sua galleria di personaggi stralunati e l’alternanza fra comicità cerebrale e venature drammatiche, sembra quasi rappresentare un riassunto della sua intera carriera.

L’anno successivo ottiene  grande successo recitando con le coetanee Bette Midler e Goldie Hawn nell’ironica commedia sul femminismo Il club delle prime mogli (1996) di H. Wilson.

Nel 2000 dirige e interpreta (insieme a Meg Ryan ed al grande Walter Matthau - al suo ultimo film) l’amara commedia Avviso di chiamata e, tre anni dopo, lavora con Jack Nicholson in Tutto può succedere (2003) di Nancy Meyers, divertente commedia sui rapporti fra uomo e donna in terza età.

Fra i suoi ultimi film 3 donne al verde (2008) di Callie Khouri, Il buongiorno del mattino (2010) di Roger Mitchell, Darling Companion (2012) di Lawrence Kasdan, Big Wedding (2013) di Justin Zackham, Mai così vicini (2014) di Rob Reiner, Natale all’improvviso (2015) di Jessie Nelson.

All’inizio della sua carriera appare anche in alcuni episodi di telefilm quali Mistero in galleria (1970), F.B.I. (1971), Mannix (1971), nel cortometraggio Men of Crisis: The Harvey Wallinger Story (1971) di Woody Allen e The Godfather: A Novel for television (1977) di Francis Ford Coppola.

Nel 2016 partecipa alla miniserie The Young Pope di Paolo Sorrentino.