Élu meilleur gardien de Série A, Diego Cavalieri est convoqué à plusieurs reprises par le sélectionneur brésilien Mano Menezes. Il est titularisé pour la première fois contre l'Argentine au stade de la Bombonera fin 2012. Il est à nouveau titularisé contre le Chili, cette fois le nouveau sélectionneur Luiz Felipe Scolari en . Il est convoqué dans le groupe qui participera à la Coupe des Confédérations au Brésil pour l'été 2013.