Зрители полюбили ее по трилогии Фрэнсиса Форда Копполы «Крестный отец» и картинам Вуди Аллена.
Принято считать, что ее путь к славе начался на Бродвее в конце 1960-х, где она сыграла вместе с Вуди Алленом в его комедийном хите «Сыграй еще раз, Сэм». Их рабочие отношения переросли в роман, при этом Дайан часто играла знаковые роли в картинах знаменитого режиссера. Благодаря фильму Аллена «Энни Холл» в 1977 году актриса получила «Оскар» за лучшую женскую роль, а также премии «Золотой глобус» и BAFTA.
В культовой трилогии Копполы «Крестный отец» она сыграла Кей Адамс — подружку, а затем и супругу мафиози Майкла Корлеоне.
В карьере Дайан Китон было много других знаковых ролей, зачастую комедийных, ее номинировали на различные награды. Среди запоминающихся образов — героини картин «Любовь по правилам и без», «Отец невесты», «Клуб первых жен» и многие другие. Попробовала она себя и в режиссуре — например, одной из серий культового сериала «Твин Пикс».
Кроме того, с 2006 года она была лицом косметического бренда L'Oreal.