Den 42-åriga Tasmanian har tillbringat två år som assisterande tränare och leda slagtränare för Cricket Australien.
Di Venuto var med Sussex och Derbyshire innan han flyttade till Durham, där han två gånger vann länstiteln.
Men han är planerad att återvända till England i tid för den nya säsongen i april på en inledande treårig affär.
Surrey chef för cricket Alec Stewart sade: "Efter avgång av Graham Ford var det mycket viktigt att vi hittade en annan hög kvalitet tränare med en stor arbetsmoral och utmärkta kunskaper om den engelska county spelet.
"Michael är en god människa. Hans 12 års erfarenhet från länet kommer att vara ovärderlig. Han är högt ansedd inom den australiensiska uppsättningen för sin förmåga att arbeta med och få ut det bästa av spelarna.
"Att kunna utse en tränare från ett internationellt team av högsta kvalitet kan bara tjäna till förmån för klubben och jag vill tacka Cricket Australia för deras professionella affärer."
Surrey har utsett före detta Australien en dag internationell fladdermöss Michael di Venuto som deras nya huvudtränare för att ersätta Graham Ford.