Sein Debüt bei der griechischen Nationalmannschaft gab Diamantidis im Rahmen der Mittelmeerspiele am 5. September 2001. Bei einem 101:56-Sieg über den Libanon gelangen ihm dabei sechs Punkte. 2005 gewann er die Basketball-Europameisterschaft. Gegner im Finale, welches in Belgrad stattfand, war die deutsche Mannschaft um Dirk Nowitzki. Diamantidis beendete dieses Turnier als bester Assist-Geber und wurde ins All-Tournament Team gewählt. Im Halbfinale gegen Frankreich gelang ihm wenige Sekunden vor Ablauf der Spielzeit beim Stand von 64:66 ein Dreipunktwurf, welcher Griechenland den 67:66-Sieg und das Finalticket gab. Bei der Basketball-Weltmeisterschaft 2006 erreichte Diamantidis mit Griechenland das Endspiel und gewann dort die Silbermedaille. Auf dem Weg ins Finale bezwang die griechische Auswahl dabei unter anderem als einzige Mannschaft die Nationalmannschaft aus den Vereinigten Staaten.