Dian Sastrowardoyo memulai kariernya di dunia hiburan pada tahun 1996, sebagai juara pertama di ajang GADIS Sampul majalah GADIS. Ia disebut-sebut sebagai ikon kebangkitan film nasional bersama lawan mainnya di film Ada Apa dengan Cinta?, Nicholas Saputra. Film pertamanya Bintang Jatuh (2000), karya Rudi Sujarwo, diedarkan indie di kampus-kampus dan tidak ditayangkan di bioskop.

Dian pernah menjadi pembawa obor di ajang Olimpiade 2008. Ia bermain dalam film 3 Doa 3 Cinta, film yang mendapatkan penghargaan Grand Prize of the International Jury.

Dian Sastrowardoyo adalah anak dari pasangan Ariawan Rusdianto Sastrowardoyo dan Dewi Parwati Setyorini. Dian masih mempunyai hubungan keluarga dengan tokoh pergerakan nasional yakni Prof. Mr. Sunario Sastrowardoyo dan juga penyair Subagio Sastrowardoyo.

Dian lulusan jurusan filsafat FIB UI (S1) dan melanjutkan ke jenjang paska sarjana (Master) Manajemen Keuangan di MM UI dan lulus tahun 2014 dengan predikat cum laude.