Santos FC signerte Diego da han var 12 år. Diego gikk gjennom ungdomssystemet til Santos FC, og debuterte på førstelaget da han var 16 år i turneringen Torneio Rio-São Paulo i 2002. I 2004 ble han kalt inn til den brasilianske landslagstroppen til Copa América, og skåret i straffekonkurransen mot i finalen. Robinho og Diego var i Brasil kjent som en fryktet, ung duo for Santos, før de begge ble solgt til europeiske toppklubber, henholdsvis Real Madrid og FC Porto.