A színésznő a Woody Allen rendezésében készült, Annie Hall című filmért 1978-ban kapott Oscar-díjat, emellett a Vörösök, a Marvin szobája és a Minden végzet nehéz című filmekben nyújtott alakításáért is Oscarra jelölte az amerikai filmakadémia.
Los Angelesben született Diane Hall néven, apja mérnök, anyja félhivatásos fényképész (és korábbi Mrs. Los Angeles) volt.
Kaliforniában folytatott színészi tanulmányokat, majd egy kis New York-i színházban debütált, ekkor vette fel anyja családnevét.
A színésznő 1968-ban beugróként került a Hair című musicalbe a Broadwayn. Nemsokára eljátszhatta Woody Allen Játszd újra, Sam! című vígjátékának egyik főszerepét is, és alakításáért Tony-díjra jelölték.
1970-ben állt először a kamera elé, 1972-ben Francis Ford Coppola A keresztapa című filmje jelentette számára az igazi áttörést. Még abban az évben szerepelt a Woody Allen rendezte Játszd újra, Sam! filmváltozatában is, 1977-ben pedig az Annie Hallt forgatta a rendezővel, akihez akkor már romantikus kapcsolat is kötötte. Sokak szerint az Annie Hallban nyújtotta élete legnagyobb alakítását, emellett a filmbeli megjelenésével, stílusával, ruháival és frizurájával divatot is teremtett.