Passionnée la photo, la peinture et les arts plastiques, Diane Rouxel grandit en Haute-Savoie avant de monter à Paris. Etant petite, Diane jouait dans les petits films de ses frères et commençait déjà à avoir cette envie de devenir comédienne.

À la capitale, Diane accompagne une amie actrice dans ses castings et commence à passer des essais. Elle débute sa carrière en 2013 dans un moyen-métrage, The Mouth, dans lequel elle incarne une jeune française débarquant à New York. Cette dernière rend visite à son père et participe à des battles de Beatbox dans la Big Apple.

Deux ans plus tard, Diane est révélée dans le sulfureux The Smell of Us de Larry Clark. La comédienne campe Marie, une jeune femme qui se drogue et se prostitue. Le tournage éprouvant du film a permis à Diane de s'affirmer et de s'endurcir. Elle est aussi à l'affiche en 2015 de La Tête haute d'Emmanuelle Bercot. L'actrice joue Tess, une ado qui va tomber amoureuse du personnage principal incarné par Rod Paradot. Pour ce rôle, Diane reçoit une nomination au César du meilleur espoir féminin.

La jeune femme au regard bleu perçant côtoie ensuite Nathalie Baye dans Moka et Melvil Poupaud dans Fou d'amour. En 2018, elle tient le rôle principal de Volontaire avec Lambert Wilson. La comédienne se glisse dans la peau de Laure, 23 ans. C’est dans la Marine Nationale qu’elle va trouver un cadre, une structure, des repères. Solide et persévérante, elle va faire son apprentissage et découvrir sa voie.

On la voit ensuite dans le drame social sur le handicap Marche ou crève et le drame rural La Terre des hommes, où elle campe avec force une jeune femme confrontée à un abus de pouvoir sur fond d’exploitation agricole. Puis, elle partage l'affiche du Soleil de trop près, traitant de la thématique de la schizophrénie. En 2025, Diane campe le rôle-titre de Louise, une femme qui, suite à un incident, fugue du domicile familial et démarre une nouvelle vie...