Diego Costa voetbalde tot zijn zestiende op straat in São Paulo. In februari 2006 begon hij aan zijn Europees avontuur bij het Portugese Braga. In juli 2006 werd hij uitgeleend aan Penafiel, dat in de tweede divisie uitkwam. In december 2006 werd hij voor anderhalf miljoen euro verkocht aan Atlético Madrid. Hij werd voor de rest van het seizoen terug uitgeleend aan Braga. Hij maakte zijn eerste doelpunt voor Braga in de UEFA Cup tegen Parma. De twee daaropvolgende jaren werd hij tweemaal uitgeleend, eerst aan Celta de Vigo en daarna aan Albacete. Op 23 januari 2012 werd hij tot het einde van het seizoen uitgeleend aan Rayo Vallecano. In het &lt;a href="Primera%20Divisi%C3%B3n%202012/13"&gt;seizoen 2012/13&lt;/a&gt; kreeg hij zijn kans bij Atlético Madrid. In het seizoen 2013/14 werd Costa na het vertrek van Radamel Falcao belangrijker voor Atletíco en ondanks de komst van mede-aanvaller David Villa wist hij in de eerste tien competitiewedstrijden al elfmaal te scoren. Op 22 oktober 2013 debuteerde hij in de Champions League met twee doelpunten tegen Austria Wien. Na in acht duels acht doelpunten gemaakt te hebben, stond Costa in de finale (4–1 verlies) van de Champions League tegen Real Madrid in de basis. Door een blessure moest hij zich in de negende minuut door Adrián laten vervangen.