Tardelli speelde met het Braziliaans elftal op het WK onder 20 van 2005, dat in Nederland werd gehouden. Tijdens de poulefase plaatste Brazilië zich met zeven punten voor de achtste finales. In de kwartfinale moest Brazilië het opnemen tegen Duitsland. In de 82e minuut maakte Tardelli een doelpunt waarmee hij Brazilië op 1-1 zette, nadat Alexander Huber de Duitsers op een 1-0-voorsprong had gezet. In de verlenging scoorde wederom de linksback Rafael en zo bracht hij Brazilië in de 99e minuut op 1-2. Hiermee besliste hij de wedstrijd. In de 117e minuut kreeg Diego Tardelli zijn tweede gele kaart van de wedstrijd. Zodoende miste hij de halve finale tussen Brazilië en Argentinië (1-2).