Dian Sastrowardoyo memulai kariernya di dunia hiburan pada tahun 1996, sebagai juara pertama di ajang GADIS Sampul majalah GADIS. Ia disebut-sebut sebagai ikon kebangkitan film nasional bersama rekannya di film Ada Apa dengan Cinta?, Nicholas Saputra. Film pertamanya Bintang Jatuh (2000), karya Rudi Sujarwo, diedarkan indie di kampus-kampus dan tidak ditayangkan di bioskop. Di film tersebut, Dian beradu akting dengan Marcella Zalianty, Garry Iskak, dan Indra Birowo. Film selanjutnya pada tahun 2001, Pasir Berbisik menyandingkannya untuk beradu akting dengan Christine Hakim, Slamet Rahardjo, dan Didi Petet. Lewat film ini, Dian dianugerahi pemeran wanita terbaik pada Festival Film Internasional Singapura (2002) dan Festival Film Asia di Deauville, Perancis (2002).