Дебют Диого за сборную Уругвая состоялся 28 марта 2003 года, в товарищеском матче против сборной Японии в Токио. Карлос был в составе сборной в Кубке Америки 2004 и 2007. На данный момент Диого провёл за сборную Уругвая 23 матча и не забил ни одного гола.