Даян Кийтън (истинското й име е Даян Хол) се ражда на 5 януари 1946 година в Лос Анжелис. Учи драматично изкуство в колежа „Санта Ана”, а след това в школата към театър "Neighbourhood Playhouse" в Ню Йорк. Първата си забележима роля в театъра Даян Кийтън изпълнява през 1968 година, в бродуейската постановка на рокмюзикъла „Коса".
През 1970 г. актрисата дебютира на големия екран във филма „Lovers and Other Strangers". Кийтън привлича вниманието на публиката с участието си в блокбъстъра на Франсис Форд Копола „Кръстникът" (1972), в който играе ролята на Кей Адамс. Впоследствие актрисата се снима и в продълженията на прочутата гангстерска сага. Особено място в творчеството на Даян Кийтън заема сътрудничеството й с един от най-ярките режисьори и актьори на американското кино и театър Уди Алън, с когото тя се запознава през 1969 година на Бродуей. По това време той поставя там постановката на „Изсвири го още веднъж, Сам".
Освен творческа, в продължение на няколко години Кийтън и Алън имат и емоционална връзка. През 1972 г. Алън започва да снима Кийтън в своите филми, комедии или драми: „Любов и смърт", „Ани Хол", „Интериори", „Манхатън". За изпълнението на главната роля в "Ани Хол" Даян Кийтън получава „Оскар" като най-добра актриса. През 1977 г., в опит да се отдалечи от комедийните роли, актрисата се снима в трилъра „Looking for Mr. Goodbar". За тази роля получава номинация за „Златен глобус". След раздялата й с Уди Алън Кийтън започва връзка с Уорън Бийти. При него се снима в драмата „Красные" и резултатът е отново номинация за „Оскар".
Стремежът към изграждане на по-реалистични характери отбелязва работата й в филми като „Crimes of the Heart", „Клуб „Първа съпруга" и „Стаята на Марвин". Успех за актрисата е ролята на Нина в комедиите „Бащата на булката" и „Бащата на булката 2", където партньор й е Стив Мартин. През 1987 г., след дълго прекъсване, Даян Кийтън отново се снима при Уди Алън – първо в "Радио дни", а след това в криминалния „Мистериозно убийство в Манхатън" (1993). През 1987 година Даян дебютира като режисьор - снима по собствен сценарий документалната лента „Небеса" („Heaven").
След това поставя един от епизодите на култовия сериал "Туийн Пикс", а през 1995 снима пълнометражната драма „Unstrung Heroes", за която получава високите оценки на критиците. През 2000 година по екраните излезе комедията „Развален телефон", режисирана от Даян Кийтън. В този филм тя игра и една от главните роли, заедно с Мег Райън, Лиса Кудроу и Уолтър Матау. През 2003 Кийтън отново изигра блестяща роля, този път в дует с Джак Никълсън в романтичната комедия „Невъзможно твой" (2003). Последваха още две комедии - романтичната „Камъкът на раздора" (2005) и криминалната „Луди пари" (2008).
