Дайан Лейн родилась в семье преподавателя по актёрскому мастерству Бартона Юджина Лейна и модели и певицы ночных клубов Коллин Ли Фэррингтон. С раннего возраста она была знакома с актёрским трудом: в шесть лет впервые вышла на сцену, в 1979 году 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 годов 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. В 1995 году 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 году она получила главную роль в фильме «Идеальный шторм» с участием Джорджа Клуни и Марка Уолберга.

В 2002 году 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 1988—1994 года Дайан была замужем за актёром Кристофером Ламбертом (1957). В этом браке Лейн родила своего первенца — дочь Элинор Жасмин Ламберт (род. 05.09.1993).

В 2004—2013 года Дайан была замужем за актёром Джошом Бролином (1968).