Dian Sastrowardoyo debut di dunia hiburan sebagai seorang model. Pada tahun 1996, ia tercatat sebagai pemenang ajang GADIS Sampul, yang akhirnya membuka jalan kariernya lebar-lebar.
Karena memiliki bakat akting, Dian Sastrowardoyo terpilih untuk menjadi pemeran film Bintang Jatuh (2000). Tampil mengesankan di film perdana, ia kembali dipercaya membintangi film berjudul Pasir Berbisik (2001).
Melalui film tersebut, Dian Sastrowardoyo meraih penghargaan dari Festival Film Internasional Singapura (2002) dan Festival Asia di Deauville, Perancis (2002). Pamornya semakin melambung tinggi saat menjadi tokoh utama dalam film Ada Apa Dengan Cinta? (2002).
Ia akhirnya semakin dikenal sebagai idola para remaja. Film tersebut juga membuatnya diganjar penghargaan dari Festival Film Indonesia 2004 untuk kategori Pemeran Utama Wanita Terbaik.
Sejak saat itu, ia banyak mendapat tawaran bermain di berbagai judul film sampai saat ini. Meskipun kerap wara-wiri di layar lebar, Dian Sastrowardoyo pernah membuat pengakuan kontroversial bahwa dirinya enggan membintangi judul sinetron.