Diane Krüger entame sa carrière d'actrice en 2002 en jouant aux côtés de Dennis Hopper et Christophe Lambert dans le film TV indépendant The Piano Player, resté inédit en France.
Elle rencontre l'acteur réalisateur Guillaume Canet avec qui elle se marie en 2001. Celui-ci lui donne un premier rôle dans son premier film Mon idole qui la fait connaître en France.
Puis elle tourne en 2002 Ni pour ni contre (bien au contraire) de Cédric Klapisch. En 2003, grimpant les échelons, elle partage avec Sagamore Stévenin l'affiche du film de course automobile Michel Vaillant de Louis-Pascal Couvelaire. Dans ce film produit par Luc Besson, elle interprète le personnage de Julie Wood créé par Jean Graton pour sa bande dessinée Michel Vaillant.
Elle participe en 2004 à la production hollywoodienne Troie dans laquelle elle joue le rôle de la reine de Sparte Hélène de Troie, face à Brad Pitt, Orlando Bloom, Eric Bana et Peter O'Toole. Elle divorce de Guillaume Canet à la fin du tournage.
Son ascension se poursuit avec le film d'aventure américain Benjamin Gates et le trésor des Templiers aux côtés de Nicolas Cage. Dans Copying Beethoven, elle interprète Anna Holtz, une jeune assistante du compositeur Ludwig van Beethoven (Ed Harris), dont ce dernier tombe éperdument amoureux. Elle interprète ensuite le rôle de Constance dans le film Les Brigades du Tigre, adaptation de la série du même nom, avec Edouard Baer et Clovis Cornillac.
Elle fut la maîtresse de cérémonie du 60e Festival de Cannes et accueillit le 16 mai 2007 le président Stephen Frears et son jury sur la scène du Palais des Festivals.
En 2009, elle retrouve son partenaire de Troie, Brad Pitt, dans Inglourious Basterds de Quentin Tarantino, présenté en compétition au Festival de Cannes 2009.
En 2010, Diane Kruger fait une apparition dans l'épisode 17 de la saison 2 de la série Fringe dans laquelle son compagnon actuel Joshua Jackson est un des acteurs principaux.
