Взяла як артистичний псевдонім дошлюбне прізвище матері, оскільки акторка з ім'ям Даян Голл уже була зареєстрована в Акторській гільдії. З аналогічною проблемою пізніше зіткнувся Майкл Кітон (справжнє ім'я Майкл Дуглас), що вибрав собі такий же псевдонім, як у Даян Кітон[5].
У 1969 році вийшла на сцену в культовому мюзиклі «Волосся». Тоді ж почала багаторічну співпрацю з Вуді Алленом, кульмінацією якого стала головна роль у комедії «Енні Голл» (1977).
Після розриву стосунків з Алленом зблизилася з Ворреном Бітті.