Diane Kruger passe sa jeunesse en Allemagne puis étudie la danse à Londres en intégrant le Royal Ballet. Elle revient ensuite dans son pays natal et mène une carrière de mannequin dans toute l'Europe. Sur la suggestion de Luc Besson, elle prend des cours d'art dramatique à l'Ecole Florent à Paris, et y remporte le Prix Classe Libre de la meilleure comédienne.

Diane Kruger entame sa carrière d'actrice en jouant aux côtés de Dennis Hopper et Christophe Lambert dans le film indépendant The Piano player resté inédit en salles. Puis elle tourne en 2002 Ni pour, ni contre (bien au contraire) de Cédric Klapisch et Mon idole sous la direction de son compagnon d'alors, Guillaume Canet, qu'elle retrouvera trois ans plus tard dans les tranchées de Joyeux Noël. Grimpant les échelons, elle partage aux côtés de Sagamore Stévenin l'affiche du film "automobile" Michel Vaillant (2003) de Louis-Pascal Couvelaire.

Hollywood ne tarde pas à succomber au charme de cette jolie blonde. Après avoir hanté les pensées de Josh Hartnett dans Rencontre à Wicker Park (2004), le remake américain du film français L'Appartement, elle se voit propulsée au sommet de la mégaproduction Troie, où elle campe Hélène, reine de Sparte, et se retrouve à donner la réplique à des stars aussi talentueuses que Brad Pitt, Orlando Bloom, Eric Bana et Peter O'Toole. Son ascension se poursuit avec Benjamin Gates et le trésor des Templiers. Cette fois-ci, c'est à Nicolas Cage qu'elle prête main forte dans ce film d'aventure.

De retour en France, elle met à profit sa propre expérience en tant que mannequin dans le long métrage Frankie (2006) de Fabienne Berthaud, chronique d'une top-modèle hospitalisée dans un établissement psychiatrique avant de prendre les armes dans les Les Brigades du Tigre (2006) de Jérôme Cornuau. En 2007, Diane Kruger donne la réplique à Joseph Fiennes dans Goodbye Bafana, film qui retrace les années de prison de Nelson Mandela. Elle participe ensuite à une production canadienne avec la comédie dramatique, L'Age des ténèbres de Denys Arcand.

L'année suivante, elle retrouve toute l'équipe de Benjamin Gates pour le deuxième volet de la série. Diane Kruger renoue avec la France en 2008, pour tourner Pour elle, un thriller dans lequel elle incarne l'épouse de Vincent Lindon, qui va tout essayer pour prouver son innocence alors qu'elle est accusée de meurtre. Deux ans plus tard, un remake américain de ce film voit le jour, avec Russell Crowe dans le rôle titre. Elle participe ensuite à Inglorious Basterds de Quentin Tarantino, où elle retrouve Brad Pitt. A travers ses choix de carrière, nous pouvons voir à quel point la comédienne alterne entre productions françaises et américaines, entre productions à budget modeste et films à grand spectacle.

Pour preuve : elle retrouve sa grâce naturelle dans une petite production française de Fabienne Berthaud avec laquelle elle collabore une seconde fois pour Pieds nus sur les limaces, présenté à la Quinzaine des réalisateurs à Cannes. Elle y partage l'affiche avec Ludivine Sagnier. En 2011, après avoir aidé Liam Neeson à retrouver son identité dans l'explosif Sans identité, une sorte de mélange entre La Mémoire dans la peau et Taken, elle campe le rôle d'une journaliste prise en otage et menacée de mort par des Talibans, devant la caméra de Stephane Rybojad pour le film Forces spéciales.

L'année suivante, Diane Kruger se glisse dans la peau de Marie Antoinette pour les besoins des Adieux à la reine se déroulant à Versailles à l'aube de la Révolution. Elle revient ensuite à des projets plus légers, à l'instar de la comédie romantique Un plan parfait et du film de SF pour ados Les âmes vagabondes. Parallèlement, l'actrice joue l'inspecteur Sonya Cross dans la série policière américaine The Bridge qui est annulée en 2014. Un an plus tard, elle donne la réplique à Matthias Schoenaerts dans Maryland, second long métrage d'Alice Winocour présenté à Cannes. Kruger y incarne une femme dont un militaire de retour du front est chargé d'assurer la sécurité.

Elle retrouve son amie Fabienne Berthaud pour Sky (aux côtés de Norman Reedus qui devient son compagnon) dans lequel elle entame un périple dans l'Ouest américain. En 2017, l'actrice incarne la fille de Catherine Deneuve dans le sombre Tout nous sépare puis cherche à venger son mari et son fils morts dans un attentat à la bombe dans In the Fade. Elle impressionne dans ce film choc réalisé par son compatriote Fatih Akin et obtient le Prix d'interprétation féminine au Festival de Cannes.

Malgré cette récompense prestigieuse, on la voit par la suite dans des productions qui ne rencontrent pas le succès escompté, telles que les thrillers Infiltrator et The Operative, le drame Bienvenue à Marwen, le film noir Marlowe et le spectaculaire 355. Ces longs-métrages lui permettent néanmoins de côtoyer des personnalités aussi prestigieuses que Bryan Cranston, Steve Carell, Robert Zemeckis, Jessica Chastain et Penélope Cruz, entre autres. 

La native d'Algermissen goûte aussi aux séries avec Swimming With Sharks, relecture du drame du même nom de 1994 centré sur l'industrie cinématographique à Hollywood et ses dérives. En 2023, elle revient en France après plusieurs années d'absence pour Visions de Yann Gozlan. Dans ce thriller paranoïaque, elle campe une pilote de ligne qui perd pied avec la réalité lorsqu'elle retrouve son amour de jeunesse.