Diego Luna Alexander est le fils de Fiona Alexander, une créatrice de costumesbritannique, et de Alejandro Luna, un scénographemexicain de cinéma, de théâtre et d'opéra, ce qui lui permet de grandir dans le milieu du spectacle. Il est âgé de deux ans lorsque sa mère décède dans un accident de voiture. Encouragé par son père, il participe durant son adolescence à divers feuilletons télévisés.
L'acteur à la première de son premier film comme réalisateur, le documentaireChavez au Festival du Film de Tribeca 2007.
Il est déjà une star dans son Mexique natal lorsque le public international le découvre en 2001 avec le succès du filmY tu mamá también d’Alfonso Cuarón, qui lui vaut le prixMarcello Mastroianni au Festival deVenise 2001 et le prix du meilleur acteur au Festival international deValdivia.
Seconds rôles à Hollywood et réalisation (années 2000)
Il revient aussi aux productions hispanophones : portant le drame indépendantNicotina, d'Hugo Rodríguez (pour lequel il gagna le Prix Ariel du meilleur acteur]) puis le mélodrameSolo Dios Sabe, deCarlos Bolado, avecAlice Braga.
Parallèlement, il se distingue sur les planches avec la pièceDe Pelicula La Tarea (d’après le film de Jamie Hubmerto Hermosillo),Molière deSabina Berman,El Cantaro Roto (pour lequel l’Association des Critiques du Mexique lui décerna le prix du meilleur espoir masculin 1996-97) etThe Complète Works of William Shakespeare (meilleur acteur comique 2001-02), dont il était aussi producteur.
Par ailleurs, il s'essaie à la réalisation : après un documentaire consacré àCésar Chavez sorti en 2007, il dévoile trois ans plus tard son premier film de fiction comme réalisateur, le drame indépendantAbel.
La décennie suivante le voit passer à des productions plus commerciales.
En février 2017, il est annoncé au jury international du67e Festival de Berlin[1], sous la présidence du réalisateurPaul Verhoeven. Quelques mois plus tard, il est tete d'affiche du thriller de science-fictionL'Expérience interdite : Flatliners, deNiels Arden Oplev. L'acteur y a pour partenairesElliot Page etNina Dobrev. Le 19 décembre 2017, il est annoncé en tant qu'acteur dans la quatrième saison de Narcos[2], produite par Netflix. Cette dernière sortira en 2018 et sera centrée sur le cartel de Guadalajara.
Le 8 novembre 2018, il est annoncé que l'acteur reprendra son rôle deCassian Andor pour une série télévisée dérivée deStar Wars, centrée sur le personnage qu'il a joué dans le film préquelRogue One: A Star Wars Story[3].
Le, Diego Luna épouseCamila Sodi,actrice et chanteuse mexicaine. Ils ont deux enfants, Jerónimo né à Los Angeles le 12 août 2008[4], et Fiona, née le premier juillet 2010. Ils divorcent en 2013.