Diego Luna nace el 29 de diciembre de 1979 en la Ciudad de México. Crece inmerso en el medio artístico. Sus padres son Alejandro Luna y Fiona Alexander, quien murió cuando Diego era muy pequeño.
Empieza a dar sus primeros pasos de su carrera artística a la edad de 6 años con la puesta en escena de la obra De Película. Su incursión en la pantalla chica se presenta con la telenovela El Abuelo y Yo, al lado de su inseparable amigo Gael García Bernal.
Su carrera adquiere nuevos bríos cuando se aventura con su primer largometraje, Un Hilito de Sangre (1995). Luego de otras tantas cintas en la carrera del actor, en el 2001 filma la película Y tu mamá también, bajo la producción de Alfonso Cuarón, y donde nuevamente comparte créditos con Gael. Esa producción le vale el premio como Mejor Actor en el Festival de Venecia y el Premio Marcello Mastroiani como Mejor Actor Revelación.
Después filma Nicotina, comedia negra que cuenta con la participación de Lucas Crespi, Jesús Ochoa, Daniel Giménez Cacho y Carmen Madrid.
A su corta edad, se perfila como un buen candidato a la conquista de Hollywood. Si bien, no es un sex symbol, sí es un chavo sencillo y con un gran sentido del humor que conquista el corazón de sus admiradoras.
En 2001 su trabajo en la obra teatral, Las obras completas de Shakespeare, abreviadas, le valió el Premio de la asociación de espectadores de teatro.
Sus más recientes películas incluyen Open Range, protagonizada por Kevin Costner y Robert Duvall, así como Havana Nights, la segunda parte de Dirty Dancing, proyecto para el que aprendió a bailar salsa, a fin de darle mayor realismo a su personaje.
En 2004 también estrena La Terminal, con el productor Steven Spielberg, donde comparte créditos con figuras como Tom Hanks y Catherine Zeta-Jones. Entrega también Criminales, una película independiente, producida por George Clooney y co protagonizada por John C. Reilly.
A mediados de ese mismo año comienza a filmar Sólo Dios Sabe, bajo la dirección de Carlos Bolado.
En 2007 inician las filmaciones de Rudo y Cursi, en la que comparte créditos una vez más con Gael García y que es realizada por los hermanos Carlos y Alfonso Cuarón.
Junto con Gael García tiene una productora llamada Canana Films.
En 2007 protagoniza la película El búfalo de la noche.
En febrero de 2008 se casa con Camila Sodi, con quien en agosto del mismo año, procrea a Jerónimo, primer hijo de ambos. Juntos viven en Los Ángeles, Estados Unidos.
En noviembre del mismo año regresa a México, para producir y protagonizar la puesta en escena El buen canario, la cual es dirigida por el afamado John Malkovich.
Diego Luna participó fuera de competencia en Cannes con su primer largometraje como director Abel, el cuál recibió muy buena críticas por parte de los miembros del festival francés.
Luna trabajó en Abel durante dos años y recibió el apoyo de sus amigos Gael García, Carlos Cuarón y Alfonso Cuarón en la elaboración del guion.
Se dice que dependiendo da las críticas e la Academia Mexicana Abel podría representar a México en la próxima entrega del Oscar.
En 2010 trabajó como actor en la serie de Gritos de muerte y libertad.