Дайан родилась 5 января 1946 года в Лос-Анджелесе, штат Калифорния. Мать девочки, Дороти Динн, носившая в девичестве фамилию Китон, была домохозяйкой и фотографом-любителем. Отец, Джон Ньютон Инатиус «Джек» Холл, работал брокером по недвижимости и инженером-строителем. Дороти получила воспитание в семье методистов Канзаса, тогда как отец приехал из Небраски, где жил в католической ирландско-американской семье. Когда Дайан еще была маленькой девочкой, ее мать приняла участие в конкурсе домохозяек, где была удостоена звания «Миссис Лос-Анджелес». Позднее актриса рассказывала, что театральность этого мероприятия поразила ее на столько, что стала первым толчком к ее будущей актерской карьере. Другим ярким событием, также повлиявшим на выбор профессии, стало знакомство с игрой блистательной Кэтрин Хепберн.
В 1963 году Китон окончила среднюю школу в Санта-Ане Santa Ana High School. Во время учебы она стала завсегдатаем кружков по пению и актерскому мастерству. Там же, в рамках одного из школьных вечеров будущая актриса сыграла роль Бланш Дюбуа в любительской постановке пьесы Теннесси Уильямса «Трамвай «Желание». Затем Дайан поступила в колледж Santa Ana College, после чего перешла в Orange Coast College. В последнем девушка провела только год и оставила его с целью продолжить карьеру на Манхэттене. Начинающая актриса присоединилась к актерской ассоциации Actors' Equity Association. Именно тогда она взяла себе девичью фамилию Китон. Эта мера была вызвана тем, что в ассоциации уже была зарегистрирована одна актриса Дайан Холл.
На протяжении некоторого времени Китон подрабатывала пением в ночных клубах. Позднее этот опыт она перенесла на экран в комедии Вуди Аллена «Энни Холл». Дайан приступила к изучению актерского мастерства в нью-йоркской школе Neighborhood Playhouse. Она детально изучала технику Мейснера, в основе которой были заложены упражнения, провоцирующие спонтанную реакцию актера, развивая импровизационные способности. В 1968 году Китон получила роль Шейлы в оригинальном бродвейском мюзикле «Волосы». Многим актриса запомнилась благодаря своему отказу обнажаться в финале постановки. Кинематографический дебют Китон состоялся в 1970 году в комедии Сая Ховарда «Любовники и другие незнакомцы. Через год она приняла участие в работе над короткометражной комедией Вуди Аллена «Люди в кризисе: История Харви Уоллингера». Это сотрудничество положило начало долгой совместной работе режиссера и актрисы. Помимо профессиональных отношений между ними также завязался длительный роман. После их разрыва Дайан сблизилась с другим режиссером, Уорреном Битти. Несмотря ни на что, актриса никогда не выходила замуж. Дети, девочка Декстер и мальчик Дюк, которых вырастила Китон, были ее приемными детьми. За свою кинематографическую карьеру актриса снялась в более чем шестидесяти фильмах, была выдвинута более чем на пятьдесят номинаций, и удостоена ряда самых престижных кинопремий, включая «Оскар», BAFTA и «Золотой глобус».
