Дайан Лейн родилась в семье актёра и танцовщицы ночного клуба Коллин Фэррингтон. С раннего возраста она была знакома с актёрским трудом: в шесть лет впервые вышла на сцену, в 1979 г. в возрасте тринадцати лет снималась с Лоуренсом Оливье в фильме «Маленький роман» у Джорджа Роя Хилла.
Затем последовала череда ролей в неудачных теле- и кинофильмах, пока Фрэнсис Форд Коппола в начале 1980-х гг. не предложил ей роли в «Изгоях» и «Бойцовой рыбке». За этими работами последовали роли в по большинству провальных голливудских лентах, из-за чего Лейн даже покинула кинобизнес на три года.
В последующие годы Дайан Лейн снималась преимущественно в достаточно скромных, но амбициозных проектах. С 1988 по 1994 г. она была замужем за своим коллегой, актёром Кристофером Ламбертом. У них есть дочь Элеонора Джэсмин Ламберт (род. 5 сентября 1993 г.). В 1995 г. Лейн снялась в паре с Сильвестром Сталлоне в экранизации комикса Судья Дредд, с Робином Уильямсом — в «Джеке» (1996) и Уэсли Снайпсом в «Убийстве в Белом доме» (1997). В 2000 г. она получила главную роль в фильме «Идеальный шторм» с участием Джорджа Клуни и Марка Уолберга.
В 2002 г. Лейн наконец-то удалось совершить настоящий прорыв: за главную женскую роль изменяющей мужу (в исполнении Ричарда Гира) жены в фильме «Неверная» Дайан получила многочисленные кинопремии и номинировалась на «Золотой Глобус» и «Оскар».
В 2004 г. Дайан Лейн вышла замуж за актёра Джоша Бролина, сына актёра Джеймса Бролина и пасынка Барбары Стрейзанд.
