1979 gab Venora in Bob Fosses "Hinter dem Rampenlicht" ihr Leinwand-Debüt. Parts in Kinoklassikern wie "Wolfen" (1981), "Cotton Club" (1984) und "F/X - Tödliche Tricks" (1985) folgten, ehe sie als willensstarke Frau des Jazzers Charlie Parker (Forest Whitaker) in Clint Eastwoods "Bird" 1988 für einen Golden Globe nominiert wurde und den New York Film Critics Award gewann.
Im Fernsehen hatte Venora unter anderem eine wiederkehrende Rolle in der Krankenhaus-Serie "Chicago Hope" und spielte die Hauptrolle in der Mini-Serie "A.D. Anno Domini". Nach einer mehrjährigen Babypause, die Diane Venora nach "Bird" einlegte, ist die Mimin seit 1995 wieder überaus gut im Geschäft. Dabei halten sich die Kinorollen, etwa in "Heat","William Shakespeares Romeo & Julia" (1996), "Der Schakal" (1997), "Ein wahres Verbrechen" (1998), "Der 13te Krieger", "The Insider", "Hamlet" (alle 1999) und "Allein gegen den Tod" (2000) mit Theaterauftritten die Waage.
Weitere Filme mit Diane Venora: "Rivalen am Nordpol" (1983), "Terminal Choice - Todespoker" (1984), "Wolfsmilch" (1987), "Das Geheimnis der drei Wünsche" (1997), "Mein Mann Picasso" und "Mörderischer Tausch" (beide 1996), "Megiddo - Das Ende der Welt" (2001), "Breaking Dawn - Tödliches Erwachen" (2003), "Nemesis - Der Angriff" (Serie), "Self Medicated", "Touched" (alle 2005), "Criminal Minds" (Serie, 2006), "Medium - Nichts bleibt verborgen" (Serie, 2007), "Stiletto" (2008).