De retour dans son pays natal après avoir passé huit ans en Inde, Diana Rigg entre en pensionnat avec son frère. Elle est ensuite diplômée de la Royal Academy of Dramatic Art de Londres en 1957, et commence à se représenter sur scène, en se spécialisant notamment dans un répertoire classique, au sein de la troupe Royal Shakespeare Company. Ce n’est qu’en 1965, que la jeune femme apparaît sur le petit écran, en succédant à Honor Blackman en tant que partenaire de John Steed (Patrick Macnee) dans Chapeau melon et bottes de cuir. Intégrant la série à partir de la saison 4, elle y incarne Emma Peel, redoutable espionne aussi belle qu’intelligente et s’impose aux yeux du grand public.
Toutefois, se sentant rapidement enfermée dans la peau d’un même personnage, Diana Rigg quitte le show en 1968 pour un film de la franchise James Bond. Les spectateurs la retrouvent alors dans la peau de Tracy, la seule femme parvenant à épouser l’agent 007, interprété par George Lazenby dans Au service secret de Sa Majesté. La comédienne est également à l’affiche d’Assassinats en tous genres, campant une journaliste débutante persuadée de tenir un scoop. Malheureusement indisposée, elle est néanmoins contrainte de décliner le rôle d’Elizabeth dans La Kermesse de l’Ouest, face à Clint Eastwood, se voyant remplacée par Jean Seberg.
En 1970, Diana Rigg fait ses débuts fracassants à Broadway, dans la pièce Abelard & Heloise, en étant l’une des premières actrices à apparaître nue sur scène. Après avoir partagé la vedette avec Vincent Price dans Théâtre de sang, mêlant thriller et mise en abîme, la jeune femme se tourne vers les Etats-Unis. Elle charme George C. Scott dans L’Hôpital en 1973, puis tient le rôle-titre d’une créatrice de mode prenant un nouveau départ à New York dans l’unique saison de la sitcom Diana.
En 1977, Diana Rigg donne naissance à sa fille Rachael, de son union avec Archibald Stirling, avant d’apparaître aux cotés d’Elizabeth Taylor dans la comédie musicale A Little Night Music. Persévérant dans ce registre, l’actrice remonte sur les planches dès 1982, en interprétant la protagoniste de Colette, qui retrace la vie tumultueuse de l’écrivaine française, puis en se représentant à Broadway dans Follies. Prolifique, l’artiste côtoie également Laurence Olivier dans Le Roi Lion, sans pour autant s’éloigner du cinéma, que ce soit dans Meurtre au soleil, nouvelle aventure d’Hercule Poirot, ou bien dans une veine shakespearienne, en prêtant ses traits à la reine égyptienne dans l’adaptation d’Antoine et Cléopâtre.
En 1989, Diana Rigg remporte le BAFTA de la Meilleure actrice pour sa prestation dans la peau d’Helena Vesey, excentrique et oppressante belle-mère de la mini-série Un amour qui tue. Au début des années 90, apparaissant davantage dans des rôles secondaires à la télévision, elle donne toutefois la réplique à Sean Connery et John Lithgow dans Un Anglais sous les tropiques. S’ensuit une période particulièrement prestigieuse : Diana Rigg obtient d’abord le titre de Dame de l'Ordre de l'Empire britannique, en 1994, en récompense de sa "carrière exceptionnelle sur scène et à l’écran en Grande-Bretagne", avant de remporter le prix de Meilleure actrice pour ses prestations dans Médée et Qui a peur de Virginia Woolf ?. Le sacre continue en 1997 avec un Emmy Award pour son interprétation dans Rebecca, où elle se retrouve mariée à Charles Dance.
Après avoir mené des enquêtes dans The Mrs Bradley Mysteries, Diana Rigg interprète Rebeccah dans Au commencement, mini-série abordant la vie d’Abraham selon la Bible, tandis que sa fille Rachael Stirling, ayant suivi ses pas, prête ses traits au même personnage plus jeune. Après plusieurs seconds rôles, notamment dans le téléfilm Victoria et Albert sur l’histoire d’amour du couple royal britannique, elle côtoie Daniel Radcliffe et Warwick Davis en tant que guests dans Extras, ainsi que Naomi Watts et Edward Norton dans le drame romantique Le Voile des illusions, en 2006.
Le duo d’actrices mère/fille tourne à nouveau ensemble le temps d’un épisode de Doctor Who, intitulé "The Crimson Horror" (saison 7, épisode 12), avant que Diana Rigg ne revienne sur le devant de la scène, en se voyant offrir le rôle d’Olenna Tyrell dans la série phénomène Game of Thrones. A partir de la saison 3, son personnage, surnommé la Reine des épines, se montre fine stratège au coeur des jeux de pouvoir et lui permet d'obtenir 3 nominations aux Emmy Awards. En 2017, la comédienne tourne sous la direction d’Andy Serkis dans Breathe, puis intègre la distribution de la deuxième saison de Victoria, en tant que régulière, dans la peau de la Duchesse de Buccleuch.
En 2020, elle intègre le casting de Last Night in Soho d'Edgar Wright aux côtés de Matt Smith et d'Anya Taylor-Joy, et disparaît le 10 septembre de cette même année à l'âge de 82 ans.
