D'abord mannequin puis actrice à Broadway et à la télévision, on compte parmi ses films : la Chute d'un caïd (B. Boetticher, 1960), Bob et Carol et Ted et Alice (P. Mazursky, 1969), le Casse (H. Verneuil, 1971), Des amis comme les miens (O. Preminger, id.), le Gang Anderson (S. Lumet, id.), la Malédiction de la panthère rose (B. Edwards, 1978), Show Bus (J. Schatzberg, 1980), The Pickie (P. Mazursky, 1993). Le ciel peut attendre (W. Beatty, B. Henry, 1978) lui valut une nomination pour l'Oscar (Best supporting actress). Elle a par ailleurs produit et réalisé pour l'American Film Institute un moyen métrage, Number One (1976). Dyan Cannon et Cary Grant ont divorcé en 1968.
