Diego Carlos werd via het handelshuis Desportivo Brasil aan meerdere clubs uitgeleend maar brak niet door. In 2014 kwam hij bij het Portugese Estoril dat hem direct verhuurde aan het tweede team van Porto. Voor Estoril kwam hij in het seizoen 2015/16 tot 31 wedstrijden in de Primeira Liga. Hij werd door het Franse Nantes aangetrokken en voor de club speelde hij in drie seizoenen meer dan 100 wedstrijden. Bij Nantes was hij in januari 2018 betrokken bij een incident met scheidsrechter Tony Chapron. Carlos kwam tijdens de competitiewedstrijd tegen Paris Saint-Germain FC in botsing met Chapron die vervolgens schopte naar het been van de speler. Carlos kreeg hierna een rode kaart van Chapron. Dit incident betekende het einde van de loopbaan van Chapron. In 2019 kocht het Spaanse Sevilla de verdediger. Met Sevilla won hij de &lt;a href="UEFA%20Europa%20League%202019/20"&gt;UEFA Europa League 2019/20&lt;/a&gt;. Diego Carlos speelde een hoofdrol tijdens de finale van het toernooi tegen Internazionale; na vijf minuten veroorzaakte hij een penalty en in de tweede helft leidde hij de winnende treffer in met een omhaal die door Romelu Lukaku tot eigen doelpunt verwerkt werd. Met het Braziliaans olympisch voetbalelftal werd hij in 2021 olympisch kampioen op de Olympische Zomerspelen 2020 in Tokyo.