Dianna Agron è nata a Savannah, in Georgia, e cresciuta tra San Antonio, in Texas, e San Francisco, in California. È figlia di Maria Barnes e Ronald S. Agron, un manager degli hotel Hyatt. La famiglia paterna è originaria della Russia e il loro cognome originario, Agronsky, è stato modificato dai funzionari di Ellis Island. Il padre è ebreo, mentre la madre si è convertita all'ebraismo; Agron ha frequentato una scuola ebraica e ha celebrato il suo bat mitzvah. Ha conseguito gli studi a Burlingame, California, e ha iniziato a danzare all'età di tre anni e già da adolescente è diventata insegnante.
Prima di approdare al successo con la serie televisiva Glee, l'attrice è apparsa in Close to Home, Shark, CSI: NY, Numb3rs e ha avuto un ruolo di discreta rilevanza in Veronica Mars. Nel 2007 ha lavorato in It's a Mall World, una miniserie composta da vari cortometraggi diretti dall'attore Milo Ventimiglia e trasmessi da MTV e in seguito nella seconda stagione di Heroes, interpretando il ruolo di Debbie Marshall, il capo cheerleader della squadra Costa Verde High School. Dianna è stata anche ospite di un mini festival musicale a Los Angeles chiamato Chicken in Love.
Nel 2015 viene scelta come protagonista dello spettacolo teatrale McQueen[7], ispirato alla figura dello stilista Alexander McQueen, al fianco di Stephen Wight. Lo spettacolo ha debuttato al St. James Theatre di Londra il 12 maggio 2015. Nello stesso anno vengono distribuiti i film Zipper[8], dove ha una piccola parte, e Bare dove veste i panni della protagonista Sarah.[9] Nel 2016 appare nel film Tumbledown.[10]
Agron ha lavorato in più occasioni come regista. Nel 2009 ha scritto, diretto, recitato e prodotto il cortometraggio A Fuchsia Elephant, mai pubblicato.[11] Nel 2010 ha diretto il video per la canzone Body della band Thao & the Get Down Stay Down.[12] Nel 2014 torna dietro la macchina da presa per il videoclip di Till Sunrise della band Goldroom, dove fa un'apparizione anche suo fratello Jason.[13] Nel 2016 ha diretto il cortometraggio L'Américaine sotto richiesta della stilista Tory Burch.[14]
Nel 2011 Agron si sottopone ad un'operazione al naso per correggere il proprio setto nasale deviato, causato da un pugno ricevuto quando era adolescente.[15] Nel 2015 si fidanza ufficialmente con Winston Marshall, membro del gruppo Mumford & Sons; la coppia convola a nozze il 15 ottobre 2016.[16]
Nell'agosto 2020 diverse fonti confermano la loro separazione dopo 3 anni di matrimonio.[17]