Diego debuteerde op 30 april 2003 in het Braziliaans voetbalelftal. Met het elftal onder 17 behaalde hij in 2001 de Zuid-Amerikaanse titel. In 2004 volgde op de Copa América de Zuid-Amerikaanse titel met het nationale elftal. Na zijn overgang naar FC Porto verloor Diego zijn plaats in de "Seleção" en ontbrak hij in zowel de selectie voor de FIFA Confederations Cup 2005 als voor het wereldkampioenschap voetbal 2006. Door zijn spel bij Werder Bremen werd Diego vanaf oktober 2006 weer opgeroepen voor het Braziliaans elftal. Op 15 juli 2007 won hij met Brazilië de Copa América 2007 door Argentinië in de finale met 3–0 te verslaan. Een WK-kwalificatiewedstrijd tegen Bolivia (0–0) op 10 september 2008 was Diego's 33ste en laatste interland.