1970年代
基頓因在《呆頭鵝》的表演而獲得托尼獎的提名，之後她參加了電影《愛情遊戲》（Lovers and Other Strangers）的拍攝，也是她的電影處女作。接下來又相繼客串出演《夜間畫廊》（Night Gallery）等電視劇。
1972年，在弗朗西斯·科波拉制作的影片《教父》中，基頓飾演邁克爾·柯裏昂（由艾爾·帕西諾扮演）的女友凱·亞當斯，這個角色對於基頓來說是突破性的。科波拉在觀看了基頓在《愛情遊戲》中的表演而邀請她出演《教父》，他相信基頓能演出亞當斯古怪的性格。基頓說那個時期她在電影界被評價為“怪癖的女演員”（the quirky actress）。她在片中松弛的表演來自她自己的生活經驗，她自己戲稱在電影內外她都是“生活在男人世界的女人”。
《教父》獲得了空前的贊譽和商業成功，並摘得1972年的奧斯卡最佳影片獎。
兩年後，她再度出演《教父2》中的同壹角色。開始她很勉強地接受這個角色，“起初，我不願意再次扮演教父續集的凱，當我讀了劇本之後，發現角色比上壹部電影更真實重要。”在續集中她的角色有了較大變化，比以前更痛恨她丈夫所幹的事情。盡管如此，輿論普遍認為她扮演的角色在電影中無足輕重。《時代雜誌》認為她在《教父》的表演很不顯眼，在《教父2》中也是毫無生氣的。
1970年代，基頓其它有名的電影幾乎都和伍迪·艾倫相關，基頓出演了艾倫制作導演的壹系列喜劇電影如《傻瓜大鬧科學城》、《愛與死》、《我心深處》（Interiors）、《曼哈頓》（Manhattan）和赫伯特·羅斯導演的電影版《呆頭鵝》。
1977年，基頓和艾倫壹起主演羅曼喜劇《安妮·霍爾》，在片中飾演安妮·霍爾，也是她壹生中最著名的角色之壹。該片由艾倫編劇並導演，當時兩人是情人關系，因此影片也被認為是艾倫和基頓的自傳。艾倫筆下的安妮·霍爾和基頓也有關聯，安妮是基頓的妮稱，而霍爾是基頓原來的姓。很多基頓特有的怪癖和她喜歡自嘲的幽默感也被艾倫加入到角色中。（導演南希·邁耶斯曾經評價黛安是世界上最喜歡自嘲的人。）基頓自己也認為艾倫描寫的這個角色是自己的“理想版”。 兩人飾演壹對生活在紐約的戀人，偶然相識又分手，片子最突出的是濃郁的生活氣息，既有人生藝術的感悟，又有深奧的哲理。該片獲得了藝術上和商業上雙重成功，獲得了奧斯卡最佳影片獎，基頓也憑借在該片中的出色表演獲得了奧斯卡最佳女主角獎。
基頓在《安妮·霍爾》中穿著古怪的服裝，主要是男子服裝，包括領帶、馬甲、寬松褲和淺頂軟呢男帽。其中電影中的大部分衣服就是基頓自己的，在該電影拍攝之前她就形成這種男子氣的穿衣風格很多年了。在電影發行後，男子服裝成為女士的流行服飾。她很快因喜好穿男裝而出名，《舊金山紀事報》評論“總是能輕易在人群中找到她，在帕薩迪納市90華氏度的溫度下穿高領毛衣的唯壹女子。” 2003年，基頓出席奧斯卡頒獎典禮時戴著男子的圓頂硬禮帽和男子晚禮服。她經常被時裝設計師理查德·布蘭克威爾先生列入他自己的年度最差著裝女士名單。
1977年9月26日，著名人像攝影師道格拉斯·柯克蘭為基頓拍攝的照片登上了《時代雜誌》的封面，並被譽為時目前電影界最好的女演員。同年，她開始不再拍攝擅長的喜劇類電影而轉向劇情類電影。根據裘迪絲·勞斯納小說改編的電影《尋找顧巴先生》（Looking for Mr. Goodbar）是她的轉型之作。在電影中她飾演壹個過著雙重生活的女子，白天是天主教的聾兒學校老師，晚上則出沒於夜總會，享受靡爛的性生活。在得知這個角色是歷史上的壹個心理學案例後，基頓隊這個角色產生了興趣。
在表演之外，基頓還表示“這輩子我還想成為壹個歌手”。1971年音樂劇《頭發》的原聲大牒是她的第壹張唱片。1977年，她開始錄制她的獨唱專輯，但是從來沒有發行過。
1980年代
1979年電影《曼哈頓》攝制完成後，基頓和艾倫長時間的合作也告壹段落，直到1993年他們才再度合作。1978年，基頓愛上了沃倫·比蒂，兩年後，比蒂邀請基頓出演他的新片《赤色分子》，飾演路易絲·波南特，波南特是壹個壓抑的家庭主婦，1917年離開丈夫和激進記者約翰·裏德壹起工作，後來兩人赴俄羅斯采訪，記錄了蘇聯國內戰爭。《紐約時報》評價基頓，“她就是路易絲·波南特—美麗、自私、風趣而壓抑。這是她迄今以來演繹得最好的角色。” 基頓也因此片獲得她的第二次奧斯卡提名。
比蒂是在觀看了《安妮·霍爾》後，認為基頓自然流露的緊張和局促不安正是波南特這個角色需要的。從1977年《赤色分子》籌備以來，影片的制作壹拖再拖，以至於基頓認為這部影片永遠不會完成而決定離開劇組。1981年，影片終於完成。2006年接受《名利場雜誌》采訪的時候，基頓形容她在該片的角色“就是壹個普通人，沒有什麽特別之處...我知道那個角色看起來是處在危險的境地。”助理導演西蒙·拉爾夫則評價路易絲·波南特是基頓所扮演的最難的角色之壹，當時“她幾乎崩潰”。
1984年，《女鼓手》（The Little Drummer Girl）是基頓第壹次涉足恐怖電影，該片在商業上慘敗，評論界認為最大的原因是選角失誤。《新***和周刊》撰文，“該片最重要的角色，是由黛安·基頓扮演的，因為她，影片變得支離破碎。她演得那麽拙劣，那麽偏離角色。”兩年後，基頓和傑西卡·蘭格、希茜·斯派塞克壹起主演《心靈的罪惡》（Crimes of the Heart），該劇本改編自貝思·亨利獲得普利策獎的作品，上映後表現平平。1987年，她首次出演商業電影《嬰兒炸彈》（Baby Boom），由南希·邁耶斯編劇並制片。基頓在影片中扮演壹個曼哈頓的職業婦女，突然需要照顧壹個孩子，從而引發笑料。同年，她在艾倫的電影《歲月流聲》中客串了壹個夜總會歌手。1988年的《好母親》（The Good Mother）是基頓的壹個敗筆，票房受挫，她自己形容該片是“壹個巨大的失敗”，而評論家也把該片批評得壹文不值，《華盛頓郵報》評論：“她的表演退步了-她努力讓觀眾去接受壹個她自己都不信服的角色。”
1987年，基頓編劇並導演了她的第壹部故事片，片名為《天堂》（Heaven），是壹部講述晚年的記錄影片。該片褒貶不壹。接下來的4年中，基頓又導演了壹部描寫比琳達·卡萊爾等藝術家的音樂片、兩部由帕特麗夏·阿奎特主演的電視電影和系列劇《中國海灘》（China Beach）和《雙峰》（Twin Peaks）中的劇集。
1990年代
1990年代，基頓是好萊塢最受歡迎和多才多藝的女演員之壹。她步入中年，開始轉向成熟女性角色，經常扮演中產階級家庭的家長。她很小心地選擇劇本，避免自己成為類型演員。她說：“當妳演了壹個受歡迎的角色後，妳會收到大量類似的角色的劇本...我嘗試跳出那些普通的角色，演繹壹些不同的東西。”
她參與了影片《檸檬姐妹》（The Lemon Sisters）的制作，片子完成後被擱置了壹年。1991年，她和史蒂夫·馬丁聯袂主演了喜劇《新嶽父大人》。由於《好母親》的票房失利，她還差點不能出演《新嶽父大人》，因為兩部影片都是華特迪士尼影片制作的。《新嶽父大人》是基頓經歷了4年票房低潮後的再度成功。
接下來的四年，基頓繼續她的成功。《舊金山調查者》等媒體再度將基頓和凱瑟琳·赫本相提並論：“1970年代她演繹的角色都有她自己的影子，緊張而不自信，如今她的象凱瑟琳·赫本那樣，富有母性的光輝，她是壹個偉大而聰明的女演員，她不需要靠頑固和急躁來爭取男女平等。”
1990年，基頓在《教父3》中再度出演凱·亞當斯。劇情背景設置為《教父2》21年後，凱成為邁克爾·柯裏昂分居的妻子。輿論界再次認為基頓的角色在片中無足輕重。《華盛頓郵報》評論道：“雖然基頓為角色傾註了心血，但是在片中除了譴責邁克爾以前的罪行之外沒有別的作用。”1993年，基頓出演《曼哈頓神秘謀殺案》（Manhattan Murder Mystery），也是她和艾倫自1979年以來再度合作。這個角色原定米婭·法羅出演，但是法羅在和艾倫分手後退出了劇組。
1995年，基頓導演了《真情赤子心》（Unstrung Heroes），也是她導演的第壹部在影院上映的故事片。故事根據弗朗茲·利茲的回憶錄改編，講壹個名叫內森·瓦特的男孩的母親患了癌癥，而父親逐漸疏遠他們，男孩被送到兩個古怪的舅舅身邊。基頓將故事的背景從小說中的紐約搬到了自己的家鄉加利福尼亞州南部。雖然這部影片指是小範圍發行，並且票房收入壹般，但是影片和導演受到評論界的好評。
這個時期，基頓最成功的影片莫過於《大老婆俱樂部》，她和戈爾迪·霍恩、貝蒂·米勒攜手演繹了三個“大老婆”：中年婦女，丈夫因為喜新厭舊與她們離婚。基頓宣稱這部影片的拍攝“挽救了她的生活”。該片在北美市場票房收入高達1.05億美金，並且受到中年婦女的熱捧。基頓和她的同伴的表演也受到了肯定，《舊金山調查者》認為“基頓可能是當今最好的喜劇女演員”。
1996年，基頓還主演了影片《馬文的房間》，在片中扮演壹個患白血病的女性，梅麗·史翠普飾演她感情疏遠的姐姐。基頓也獲得了她的第三次奧斯卡獎提名。雖然評論不錯，但是影片沒有大範圍公映，可能也是基頓最終沒有獲得奧斯卡獎的原因。基頓認為扮演該片最大的難度在於理解壹個得了絕癥的人的心理狀態。
2000年代
2000年，基頓的第壹部影片是和梅格·瑞安、麗莎·庫卓壹起主演的《來電傳情》（Hanging Up），基頓還擔任了該片的導演。盡管在1996年的壹次采訪時她曾經宣稱不再導演自己主演的影片，“作為導演，就會有不同的目標。當我表演的時候就不會考慮導演的工作。” 影片講述了三姐妹和她們年邁的父親壹起生活的趣事。片子反響壹般，在北美票房收入為3600萬美金。
2001年，基頓和沃倫·比蒂再度攜手出演新片《城裏城外》（Town & Country），評論和票房雙雙失利。影片預算為9000萬美金，而北美票房只有 700萬美金。《滾石雜誌》評論：“《城裏城外》比訃告還不值得評論...毀壞了演員的名譽，包括沃倫·比蒂和黛安·基頓。”2001年和2002年，基頓參演了四部低成本的電視電影。
2003年，影片《愛是妥協》成為基頓壹個新的高峰。該片由南希·邁耶斯執導，男主角為傑克·尼科爾森。尼科爾森和基頓當時分別是66歲和57歲，擔當了這部浪漫喜劇的主演。二十世紀福斯影片公司認為主演的年紀太大，而不願意投資該影片。基頓在接受《婦女家庭雜誌》的采訪時說；“象我和傑克年齡的人愛得更深，更充滿熱情，因為他們已經經歷了太多。他們有很多的激情和希望，為什麽他們不能戀愛？為什麽電影不能表現這些？”在片中，基頓扮演壹個中年女子，愛上了她女兒的老男友。該片在北美票房收入為1.25億美金。美國著名影評人羅傑·伊伯特撰文寫道：“尼科爾森和基頓給他們的角色帶入了自己的感受、知識和幽默，這是我們從未希望能在銀幕上看到的。”該片為基頓帶來了第四個奧斯卡提名。
2005年，基頓和莎拉·傑西卡·帕克壹起出演喜劇《斯通家族》（The Family Stone）。2007年，她和曼迪·摩爾壹起主演《愛得過火》（Because I Said So）上映。 同時，基頓還作為制片人制作了壹系列電影和連續劇，如福克斯廣播公司系列劇《新豪門恩怨》（Pasadena）。她還制作了格斯·範·桑特導演的關於校園槍殺岸的電影《大象》（Elephant）。基頓制作該影片的原因是：“我覺得這是我作為壹個成人的責任，去理解年輕人怎麽了。”
除了電影外，基頓還在攝影方面顯示了強烈的興趣。作為壹個收藏家，她接受《名利場雜誌》采訪的時候說：“我已經收集了大量的圖片-電影中的接吻照片。我喜歡生動的東西。” 她還舉辦過壹些她自己拍攝的作品展覽，並且作為編輯出版了壹系列攝影書籍。 基頓還是壹個不動產投資商，她在加利福尼亞州南部買入房產，在重新設計裝修後出售。2003年，麥當娜花費650萬美金向基頓購買了貝佛利山莊的壹座宅第。
2007年，基頓獲得林肯中心電影協會的表彰。