Diego Milito gab sein Debüt in der argentinischen Nationalmannschaft am 20. August 2003 gegen Uruguay. In den folgenden Jahren wurde der Stürmer nur sporadisch für die Auswahl seines Landes berufen. Erst vier Jahre nach seinem ersten Einsatz wurde Milito für einen Wettbewerb nominiert. Im Sommer 2007 berief ihn Trainer Alfio Basile in den Kader für die Copa América. Milito kam als Ersatzspieler im Laufe des Turniers zwei Mal zum Einsatz und erzielte einen Treffer. Der Turniersieg blieb ihm allerdings verwehrt, da Argentinien im Endspiel Brasilien unterlag.