2009年6月に行われたMLBドラフト8巡目（全体246位）でアリゾナ・ダイヤモンドバックスから指名され、6月14日に契約。大学時代の好成績にもかかわらず指名順位が8巡目と低くなったのは、バットスウィングの大きさや守備での動きのぎこちなさから、他球団スカウトが彼を数字ほどは評価しなかったことによる。ただその中で唯一、彼に高校のころから注目していたダイヤモンドバックスのスカウトのトリップ・カウチは「もっと高い順位で指名されてもおかしくない」と考えていた。当のゴールドシュミット本人は「8巡目ってかなり高順位だからね、ダイヤモンドバックスが僕に期待してくれてて嬉しいよ」と話している。契約後にマイナーリーグのルーキー級ミズーラ・オスプレイでプロデビューし、74試合で打率.334・18本塁打・62打点・OPS 1.045という成績を残した。2010年はA+級バイセイリア・ローハイドで1シーズンを過ごし、138試合で打率.314・35本塁打・108打点・OPS.990を記録、シーズン終了後にはカリフォルニアリーグのMVPと新人王を受賞した。ただ同リーグは打者有利な球場が多いため数字が高めになったのではという懐疑的な声も一部にあり、ジャロッド・パーカーら球団内の他の有望株と比べると注目度は低かった。2011年はAA級モービル・ベイベアーズへ昇格し、開幕戦での2本塁打を皮切りにここでも長打力を発揮。6月8日には20本塁打に、7月26日には30本塁打に、それぞれマイナーリーグ全体を通じて最速で到達する。同月10日に開催されたマイナーリーグの同年のオールスター・フューチャーズゲームにも選出された。ダイヤモンドバックスGMのケビン・タワーズは「人々も彼はまぐれなんかじゃないと考えるようになってきた」と述べている。AA級モービルで7月終了まで103試合に出場し打率.306、30本塁打、94打点、OPS 1.061という成績を挙げたゴールドシュミットは、8月1日にAAA級リノ・エーシズを飛ばしてメジャーへの昇格を果たす。ダイヤモンドバックスはこの時点で59勝49敗のナショナルリーグ西地区2位につけていたが、一塁手は固定できていなかった。フアン・ミランダやゼイビア・ネイディらは期待外れの成績に終始し、7月中旬から起用し始めたブランドン・アレンは救援投手陣強化のため31日にブラッド・ジーグラーとのトレードで放出している。2011年8月1日、メジャーへ昇格したゴールドシュミットは即、同地区首位サンフランシスコ・ジャイアンツとの直接対決に「7番・一塁手」で先発出場。翌日8月2日の試合でティム・リンスカムからメジャー第1号となる2点本塁打を放つと、これが決勝点となってダイヤモンドバックスはジャイアンツに勝利し、同率の地区首位に浮上した。チームはその後一旦は2位に戻るも、8月10日に再び地区首位となると以降はその座を譲らず。ゴールドシュミットは一塁に定着し、17日にはクリフ・リー、25日にはタイラー・クリッパード、9月3日には再びリンスカム、とこの年のオールスターに選出された投手たちに本塁打を浴びせていった。そして23日のジャイアンツ戦で、同点の8回裏にゴールドシュミットが決勝の2点三塁打を放ち、この試合に勝ったチームは4年ぶりの地区優勝・ポストシーズン進出を決めた。メジャー1年目の成績は打率.250・8本塁打・26打点・OPS.808で、打率をマイナー時代の3割台から落とした。ポストシーズンでダイヤモンドバックスは、ミルウォーキー・ブルワーズと地区シリーズで対戦。第1戦ではチームが経験を考慮してベテランのライル・オーバーベイを一塁手に起用したため、ゴールドシュミットは欠場した。この試合を1-4で落とし、オーバーベイが3打数無安打と抑えこまれると、第2戦からはゴールドシュミットが先発することに。すると、第2戦ではザック・グレインキーから初打席でソロ本塁打、第3戦ではショーン・マーカムから適時打と満塁本塁打で5打点、第4戦では5打席4出塁で2得点、とチームの期待に応える活躍を見せた。しかし2勝2敗で迎えた最終第5戦では、自身は2安打を放ったが得点にはつながらず、チーム延長戦の末に敗れてシリーズに敗退しシーズン終了となったが、ゴールドシュミット自身はこのシリーズ通算で打率.438、2本塁打、6打点、1盗塁、OPS 1.339と活躍した。2012年'は正一塁手に定着して145試合に出場。打率.286・20本塁打・82打点をマークした。また、43二塁打（リーグ4位）、9犠飛（リーグ1位）だった。2013年3月2日にダイヤモンドバックスと1年契約に合意し、3月29日に総額3200万ドルの5年契約（2019年は1450万ドルの球団側選択オプション付き）を結んだ。7月にはオールスターゲームに初選出された。この年は引き続き一塁のレギュラーとして160試合に出場。打率.302・36本塁打・125打点という成績をマークし、本塁打王と打点王のタイトルを獲得した（本塁打はピッツバーグ・パイレーツのペドロ・アルバレスと同数）。本塁打と打点以外では長打率、OPS、塁打数、敬遠の各部門でリーグ1位となり、他の多くの打撃部門でも上位につけるなど、飛躍のシーズンとなった。MVPの投票ではアンドリュー・マカッチェンに次ぐ2位だった。2014年は前半戦で95試合に出場し、16本塁打61打点、打率.308と活躍し、オールスターゲーム・ファン投票一塁手部門で最多得票数を獲得し、2年連続でオールスターに選出された。8月1日のパイレーツ戦でエルネスト・フリエリの投球を受けて左手を骨折し、翌2日に15日間の故障者リスト入りした。この故障により、規定打席到達を逃し、本塁打や打点も減少した。2015年は前半だけで打率.340、21本塁打、70打点を記録し、3年連続でオールスターゲームに選出された。最終的に159試合に出場し、打撃タイトルこそ逃したものの、打率.321(リーグ3位)、33本塁打(同5位)、110打点(同2位)、OPS1.005(同2位)といずれの項目でもランキング上位に食い込む活躍を見せた。その、相手から勝負を避けられ、リーグ最多の29敬遠を記録。出塁率.435および118四球は、ルイス・ゴンザレスが保持していた球団記録を更新した。盗塁は初めて20を超え、本塁打と盗塁の両方の水準を算出するPower–speed numberではリーグ2位であった。守備では守備率.997・守備防御点 + 18を記録。MVPの投票ではブライス・ハーパーに次ぐ2位で、2013年に続いてゴールドグラブ賞とシルバースラッガー賞を同時受賞した。2016年は158試合に出場。打率.297・24本塁打・95打点・OPS.899と昨季より悪化したが、110四球はリーグトップだった。また盗塁数は自己最多の32を記録した。オフの12月29日に第4回ワールド・ベースボール・クラシック(WBC)のアメリカ合衆国代表への参加の意思を表明した。2017年開幕前の2月9日に第4回WBCのアメリカ合衆国代表に選出された。3月22日の決勝プエルトリコ戦に勝利し、初の優勝を果たしたがが正一塁手はエリック・ホズマーだったため出場機会は限られ、5試合で打率.077（13打数1安打）だった。シーズンでは9月13日のロッキーズ戦で通算1000安打を達成した。打率.297・36本塁打・120打点・OPS.966の成績を残し、MVPの投票ではジャンカルロ・スタントン、ジョーイ・ボットに次ぐ3位だった2018年は打率.290・33本塁打・83打点・OPS.922の成績を残し、MVPの投票では6位だった。通算記録では安打や本塁打や打点などでルイス・ゴンザレスの持つ球団記録まであとわずかに迫った。