Convocato per l'Europeo 2012, nella terza e ultima partita della fase a gironi (con cui l'Italia passò il turno come seconda), vinta il 18 giugno per 2-0 contro l'Irlanda, subentrò ad Antonio Cassano al 63' e fornì l'assist da calcio d'angolo per il gol del raddoppio di Mario Balotelli. Il 24 giugno, nei quarti di finale contro l'Inghilterra (0-0 dts, 2-4 dcr), entrò al 78' al posto di Cassano e, dopo aver colpito un palo nei tempi supplementari, durante la serie finale segnò il rigore decisivo per la vittoria. Giocò anche il 28 giugno nella semifinale vinta per 2-1 contro la Germania, subentrando al 58' sempre a Cassano. L'Italia concluse il torneo perdendo 4-0 contro la Spagna in finale, partita a cui Diamanti non prese parte.