Tras comenzar la temporada como suplente por detrás de Falcao y Adrián, poco a poco se fue ganando la confianza de su entrenador y se convirtió en un fijo en las alineaciones del club colchonero en todos los partidos importantes. Mención especial mereció su actuación en la Copa del Rey de fútbol. El 17 de mayo de 2013 el Atlético de Madrid disputó la final ante su eterno rival, el Real Madrid CF, en el Santiago Bernabéu. Diego Costa llegaba a la final como pichichi de la competición con siete goles en siete partidos, uno por delante de Cristiano Ronaldo que había anotado seis. En la primera parte Cristiano Ronaldo adelantó a su equipo empatando en el primer puesto del pichichi con Diego Costa pero antes del descanso Diego Costa hizo el empate a uno con el que se llegó al final del tiempo reglamentario. Durante la prórroga Miranda hizo el definitivo uno a dos y de esta manera el Atlético de Madrid se proclamó campeón de la Copa del Rey y Diego Costa máximo goleador de la competición con ocho goles en ocho partidos.