Karier Keaton dimulai di panggung ketika dia muncul dalam pertunjukan Broadway asli tahun 1968 berjudul Hair. Tahun berikutnya, dia dinominasikan untuk Tony Award sebagai Aktris Terbaik dalam Peran Pendukung dalam drama komedi Woody Allen berjudul Play it Again, Sam. Kemudian, dia membuat debut layar lebar dalam peran kecil di film Lovers and Other Strangers (1970), sebelum meraih ketenaran dengan peran film utamanya pertama sebagai Kay Adams-Corleone dalam The Godfather karya Francis Ford Coppola (1972), peran yang dia ulangi dalam sekuelnya Part II (1974) dan Part III (1990). Dia sering bekerja sama dengan Woody Allen, dimulai dengan adaptasi film Play It Again, Sam (1972). Dua film berikutnya bersamanya, Sleeper (1973) dan Love and Death (1975), menegaskan dirinya sebagai aktris komedi, sementara film keempatnya, Annie Hall (1977), membuatnya memenangkan Academy Award untuk Aktris Terbaik.
Untuk menghindari terjebak dalam citra Annie Hall, Keaton muncul dalam beberapa film drama, termasuk Looking for Mr. Goodbar (1977) dan Interiors (1978). Dia menerima tiga nominasi Academy Award lagi untuk perannya sebagai aktivis Louise Bryant dalam Reds (1981), pasien leukemia dalam Marvin's Room (1996), dan seorang dramawan dalam Something's Gotta Give (2003). Keaton juga dikenal karena peran utamanya dalam Manhattan (1979), Baby Boom (1987), Father of the Bride (1991), Father of the Bride Part II (1995), The First Wives Club (1996), The Family Stone (2005), Finding Dory (2016), dan Book Club (2018).
Diane Keaton lahir dengan nama Diane Hall di Los Angeles, California pada tanggal 5 Januari 1946. Ibunya, Dorothy Deanne (née Keaton), adalah seorang ibu rumah tangga dan fotografer amatir; ayahnya, John Newton Ignatius "Jack" Hall, adalah seorang pialang real estat dan insinyur sipil yang ibunya berasal dari Irlandia. Keaton dibesarkan sebagai anggota Gereja Free Methodist oleh ibunya. Ibunya pernah memenangkan kontes "Mrs. Los Angeles" untuk ibu rumah tangga; Keaton mengatakan bahwa pertunjukan itu menginspirasi keinginannya untuk menjadi seorang aktris. Dia juga mengakui Katharine Hepburn, yang dia kagumi karena berperan sebagai wanita tangguh dan mandiri, sebagai salah satu inspirasinya.
Keaton lulus dari Santa Ana High School di Santa Ana, California pada tahun 1964. Selama berada di sana, dia berpartisipasi dalam klub menyanyi dan akting di sekolah, dan membintangi peran Blanche DuBois dalam produksi sekolah berjudul A Streetcar Named Desire. Setelah lulus, dia masuk Santa Ana College, dan kemudian Orange Coast College sebagai mahasiswa akting, tetapi keluar setelah setahun untuk mengejar karier hiburan di Manhattan. Setelah bergabung dengan Actors' Equity Association, dia mengubah nama belakangnya menjadi Keaton, yang merupakan nama gadis ibunya, karena sudah ada seorang aktris terdaftar dengan nama Diane Hall. Untuk sementara waktu, dia juga tampil di klub malam dengan pertunjukan menyanyi. Dia kembali ke pertunjukan klub malamnya dalam Annie Hall (1977), And So It Goes (2014), dan penampilan cameo di Radio Days (1987).
Keaton mulai belajar akting di Neighborhood Playhouse di New York City. Awalnya, dia belajar akting dengan teknik Meisner, sebuah teknik akting kelompok yang pertama kali dikembangkan pada tahun 1930-an oleh Sanford Meisner, seorang aktor panggung/dosen/direktur asal New York yang pernah menjadi anggota The Group Theater (1931-1940). Dia menggambarkan teknik aktingnya sebagai, "[hanya sebaik orang yang beradu akting denganmu... Tidak seperti berusaha sendiri dan menciptakan pertunjukan yang luar biasa tanpa bantuan siapa pun. Aku selalu membutuhkan bantuan semua orang!" Menurut rekan aktor Jack Nicholson, "Dia mendekati akting dengan mengandalkan chemistr