Diane Lane est la fille de Colleen Farrington (une chanteuse de night-club et aussi une ancienne mannequin de Playboy aussi connue sous le nom de Colleen Price) et de Burton Eugene Lane qui fut conducteur de taxi. La grand-mère maternelle de Diane Lane (Agnes Scott) était une pasteur protestante (Pentecôtisme). Diane Lane fut influencée par la mise en scène de celle-ci lors de ses sermons,,. Lane fut élevée par son père après le divorce de ses parents alors qu'elle était encore très jeune.
Diane Lane commença sa carrière artistique professionnelle à l'âge de 6 ans au théâtre expérimental La Mama Experimental Theatre à New York, où elle participa aux productions Medea et The Cherry Orchard. À 13 ans, elle joua dans son premier film avec l'acteur Laurence Olivier dans A Little Romance. À 14 ans, elle fit la couverture du magazine Time,.
Elle réussit la transition entre sa carrière enfantine et sa carrière d'adulte. Elle participa ainsi aux films plébiscités The Outsiders et Rumble Fish. Les deux films suivants qui auraient pu la catapulter au statut de star ne percèrent pas au box-office (Streets of Fire et
Cotton Club).
Ce n'est qu'en 1989 qu'elle fut acclamée dans la série de télévision Lonesome Dove. En 1991, l'actrice partagea l'affiche aux côtés de son mari de l'époque Christophe Lambert et Daniel Baldwin dans le film Face à face (knight moves) . Elle fut mise en nomination en 1999 pour son rôle dans A Walk on the Moon où elle joua avec Viggo Mortensen.
En 2002, Diane Lane fut mise en nomination pour l'Oscar de la meilleure actrice pour sa performance dans le film Infidèle et elle fut honorée pour ce film par la société nationale des critiques de films. Elle participa ensuite au film Under the Tuscan Sun (2003), basé sur le livre de Frances Mayes.
Diane Lane fréquenta la star de rock Jon Bon Jovi dans les années 80 et elle se maria avec l'acteur Christophe Lambert en 1988 avant de divorcer en 1994. Elle eut de ce mariage une fille du nom de Eleanor Jasmine Lambert, née le 5 septembre 1993.
Diane Lane se remaria avec l'acteur Josh Brolin le 14 août 2004. Le 20 décembre de la même année, elle appela la police suite à une altercation avec lui et celui-ci fut interpellé. Diane Lane ne porta pas plainte et le porte-parole du couple parla d'un malentendu.