Di Maio var en av grunnleggerne av gruppen «venner av Beppe Grillo» i 2007, som senere skulle utvikle seg til partiet Femstjernersbevegelsen. I valget i 2013 ble Di Maio valgt inn i Deputertkammeret. 21. mars 2013 ble han tidenes yngste parlamentariske visepresident i Italia, i en alder av 26 år.