Tiếp nối truyền thống bóng đá của gia đình từ người ông và người cha, Diego Forlán cũng thi đấu rất thành công trong màu áo đội tuyển quốc gia Uruguay với 36 bàn thắng, trong đó phải kể tới hai bàn thắng ghi vào lưới nước chủ nhà Nam Phi ở World Cup 2010 và pha đá phạt gỡ hòa có tính chất quyết định, góp phần đưa đội tuyển Uruguay vào bán kết giải đấu này sau hơn 40 năm chờ đợi. Tại Copa América 2011 diễn ra tại Argentina, anh ghi được 2 bàn thắng trong trận chung kết Copa América trước đội tuyển Paraguay và đưa Uruguay đăng quang Copa América lần thứ 15 trong lịch sử. Ngày 20 tháng 6 năm 2013, trong trận đấu gặp Nigeria ở cúp Liên đoàn các châu lục 2013, Diego Forlán đã cán mốc 100 lần khoác áo đội tuyển quốc gia và anh chỉ ghi được một bàn thắng trong chiến thắng 2-1 trước Nigeria. Anh tiếp tục có tên trong danh sách đội tuyển Uruguay tham dự World Cup 2014, tuy nhiên Uruguay đã bị loại ở vòng 16 đội sau khi để thua Colombia với tỉ số 0-2. Diego Forlán kết thúc sự nghiệp thi đấu ở đội tuyển Uruguay vào ngày 11 tháng 3 năm 2015 và đến ngày 1 tháng 6 năm 2018, anh chính thức giã từ sự nghiệp thi đấu quốc tế sau 28 năm thi đấu chuyên nghiệp.