Do dějin se nesmazatelně zapsala v roce 1977, kdy si zahrála titulní roli ve filmu Annie Hall (Annie Hallová) po boku Woodyho Allena. Za tuto získala Oscara, Zlatý glóbus i cenu BAFTA, srdce diváků po celém světě a také definovala ženské postavy romantických komedií. Její styl ve filmu, postavený na oversized sakách, pánských vázankách a kloboucích, se stal kultovním. „Anniein styl byl Dianin styl,“ prohlásil tehdy Ralph Lauren, který část kostýmů do filmu navrhl. Svou roli o něco prodloužila v druhém snímku Allena, Manhattan, který na Annie Hall navazoval, avšak ukázal, jak by to vypadalo, kdy si každý šel vlastní cestou.

Už dříve okouzlila diváky v The Godfather (Kmotr) Francise Forda Coppoly, kde jako Kay Adams vytvořila jednu z mála ženských postav v jinak mužském světě mafiánské ságy. S Woodym Allenem natočila dalších sedm filmů, které definovaly kariéru obou filmových hvězd.
Následovala dramatická role Louise Bryant ve filmu Reds (Rudí), za kterou byla znovu nominována na Oscara, Mrs. Soffel po boku Mela Gibsona, The Good Mother (Být dobrou matkou) s Liamem Neesonem či Crimes of the Heart (Zločiny srdce) s Jessicou Lounge a Sissy Spacek.

Do světa komedií se pak vrátila na přelomu 90. letech po filmy jako Baby Boom, Father of the Bride I a II (Otec nevěsty), nebo legendární The First Wives Club (Klub odložených žen) – snímek, který oslovil celé generace žen svým humorem a ženskou solidaritou. Mezi slavné její romantické komedie patří také The Family Stone (Základ rodiny), Morning Glory (Hvězdné vstávání) nebo komediální drama Hanging Up (Zavěste, prosím).

Jeden z posledních nejlepších snímků, které lemovaly její kariéru byl Something's Gotta Give (Lepší pozdě nežli později), kde okouzlila Jacka Nicholsona i Keanu Reevese a The Book club (Dámský klub), kde si zahrála po boku slavných hollywoodských kolegyň jako Jane Fondy, Mary Steenburgen nebo Candice Bergen.

Mimo kameru byla známá svou láskou k architektuře, fotografii, kloboukům (měla jich doma přes padesát) a psům. Nikdy se nevdala, ale měla slavné partnery – Woodyho Allena, Al Pacina i Warrena Beattyho. „Můj sen vždycky byl malý dům u oceánu a tři psi,“ přiznala kdysi. Místo luxusu volila excentričnost, místo klasické krásy osobitost.

Od roku 2006 byla také tváří značky L'Oréal a symbolem krásy a stylu, která nestárne podle hollywoodských pravidel. Její pohled na život byl často plný humoru a nadhledu.