Fille du répétiteur dramatique Burt Lane, Diane Lane débute dans la comédie... à l'âge de 6 ans, en faisant partie de la troupe expérimentale new-yorkaise Cafe La Mama et en l'accompagnant dans une tournée européenne. En 1978, elle rencontre le succès avec la pièce Runaway à Broadway et triomphe l'année suivante dans son premier film I love you, je t'aime où, face à Laurence Olivier, elle arrive à imposer sa fraîcheur et sa spontanéité.

Elle se perd quelque temps dans des productions mineures, avant d'être prise sous l'aile de Francis Ford Coppola, son mentor. Il la fait jouer dans deux de ses films en 1983 : Outsiders et Rusty James, l'occasion pour elle d'intégrer une nouvelle génération de futures stars hollywoodiennes aux côtés de Tom Cruise, Matt Dillon ou encore Nicolas Cage. Suit en 1984 Cotton Club du même Coppola, où elle se retrouve face à une autre valeur sûre du cinéma américain, Richard Gere. Tous deux se donneront à nouveau la réplique en 2002 dans le drame sentimental Infidèle et Nos nuits à Rodanthe.

Après une pause de trois ans, Diane Lane fait la rencontre, sur le plateau de Love dream (1987), de celui qui deviendra son futur mari : Christophe Lambert. Ils tourneront ensemble le polar Face à face (1991) avant de divorcer en 1994. A l'aise dans les films d'action (Meurtre à la Maison Blanche, En pleine tempête, Jumper, Intraçable, Killshot), l'actrice l'est tout autant dans les rôles d'éternelles romantiques (Le Choix d'une vie, Sous le soleil de Toscane, La Main au collier) que dans les thrillers (La Prison de verre, Hollywoodland).

Plus rare sur les écrans à l'approche des années 2010, Diane Lane reprend l'écurie familiale aidée de John Malkovich dans Secrétariat (2010), avant d'incarner la mère adoptive de Clark Kent alias Superman dans Man of Steel de Zack Snyder. Un personnage qu'elle reprend dans Batman v Superman : L'Aube de la justice (2016), Justice League (2017) et Zack Snyder's Justice League (2021). L'actrice campe ensuite la femme de deux protagonistes de biopics : celle de Dalton Trumbo (Bryan Cranston) et de Mark Felt (Liam Neeson).

En 2021, la native de New York trouve un rôle fort dans le thriller L'Un des nôtres, celui de la compagne de Kevin Costner, avec lequel elle se frotte à une terrifiante famille pour tenter de sauver leur petit-fils. Côté série, elle incarne aussi l'ennemie de Claire Underwood dans la dernière saison de House of Cards.