Взяла в качестве артистического псевдонима девичью фамилию матери. В 1969 году вышла на сцену в культовом мюзикле «Волосы». Тогда же началось многолетнее сотрудничество с Вуди Алленом, кульминацией которого стала заглавная роль в комедии «Энни Холл» (1977).
После расставания с Алленом (отношения с которым развивались и за пределами съемочной площадки), Китон сблизилась с Уорреном Битти. Вместе с ним работала над такими проектами, как исторический фильм «Красные» (1981), за который вновь была номинирована на «Оскар». В её послужном списке также числятся номинации на «Оскар» за главные роли в фильмах «Комната Марвина» (1996) и «Любовь по правилам… и без» (2003), режиссура одной из серий культового сериала «Твин Пикс» и продюсирование фильма «Слон», удостоенного в 2003 г. «Золотой пальмовой ветви».
Помимо достижений в мире кино, Китон известна своим резко отрицательным отношением к пластической хирургии. С 2006 года она является лицом косметической фирмы «L'Oreal».
Дайан Китон никогда не была замужем.
У неё есть двое приёмных детей — дочь Декстер (род.1996) и сын Дюк (род.2001).
21 ноября 2011 года было сообщено, что у Дайан был рак кожи, который она победила.