Nel febbraio 2020 ha preso parte per la terza volta al Festival di Sanremo, con il brano "Fai rumore", trionfando nella manifestazione davanti a Francesco Gabbani e ai Pinguini Tattici Nucleari; il brano ha inoltre vinto il Premio della Critica "Mia Martini" e il Premio della Sala Stampa "Lucio Dalla". In quanto vincitore del Festival, Diodato viene inoltre designato come rappresentante dell'Italia all'Eurovision Song Contest 2020, cancellato tuttavia poche settimane dopo a causa della sopraggiunta pandemia di COVID-19; è comunque tra i protagonisti, il 16 maggio 2020, dell'evento "", esibendosi nell'occasione all'Arena di Verona con la già citata "Fai rumore" e con una versione acustica di "Nel blu dipinto di blu".