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In seiner Kindheit und Jugend spielte Diego bei Comercial FC Ribeirão Preto und Paulistinha Sao Carlos. Danach wurde er als 12-Jähriger von den Spähern des FC Santos entdeckt, wo er von 1997 bis 2002 zunächst in den Jugendteams spielte und 2002 zu den Profis kam. Dort wurde der Mittelfeldspieler 2002 und 2004 brasilianischer Meister.

Im Sommer 2004 zahlte der FC Porto rund 8 Mio. Euro an den FC Santos, um Diego unter Vertrag zu nehmen; er sollte den zum FC Barcelona abgewanderten Deco ersetzen. Allerdings war er nicht immer Stammspieler und kam innerhalb von zwei Jahren in der damaligen SuperLiga nicht regelmäßig zum Einsatz.

Im Sommer 2006 wechselte Diego für ca. 6 Mio. Euro vom FC Porto zu Werder Bremen in die Bundesliga. Dort sollte er den Franzosen Johan Micoud, der zum Ligue-1-Klub Girondins Bordeaux wechselte, auf der Position des Spielmachers beerben. Diego unterschrieb einen Vertrag bis zum 30. Juni 2010 und löste somit Miroslav Klose, der 2004 für fünf Millionen Euro von Kaiserslautern an die Weser wechselte, als bis zu diesem Zeitpunkt teuersten Einkauf der Vereinsgeschichte ab.

Nach nur drei Bundesligaspielen wurde er zum Fußballer des Monats August gewählt.

Sein Tor zum 1:0 im Bundesligaspiel gegen Bayern München am 21. Oktober 2006 wurde zum Tor des Monats Oktober gewählt. Dies war auch mit ausschlaggebend für seine erneute Wahl zum Fußballer des Monats im Oktober.

Im Dezember 2006 gewann er zum dritten Mal die Wahl zum Fußballer des Monats. Ausschlaggebend waren seine Tore und Vorlagen gegen Hertha BSC und Eintracht Frankfurt. Bereits kurze Zeit später erhielt er die Auszeichnung zum besten Spieler der Hinrunde der Saison 2006/2007. 270 Profis aus der ersten Liga stimmten ab, wobei Diego mit 49,6 Prozent klar vor seinem an zweiter Stelle liegenden damaligen Mannschaftskollegen Miroslav Klose (32,7 Prozent) lag. Nach seiner vierten Wahl zum Fußballer des Monats im September 2007 hat er zum Rekordhalter Lukas Podolski aufgeschlossen.

Große Aufmerksamkeit erregte auch sein Tor zum 3:1-Endstand gegen Alemannia Aachen (20. April 2007), als er mit einem Schuss aus 63,8 Metern Torentfernung den Ball im Tor unterbringen konnte. Dieser Treffer wurde zum Tor des Monats April und zum Tor des Jahres 2007 gewählt.

Bei der Wahl zum Fußballer des Jahres 2007 wählten deutsche Journalisten Diego mit 175 Stimmen hinter Mario Gómez vom VfB Stuttgart (196 Stimmen) auf Platz zwei.

Kurz vor dem Bundesliga-Spiel gegen den VfB Stuttgart am 22. September 2007 wurde bekannt gegeben, dass Diego seinen bis 2010 gültigen Vertrag bei den Werderanern um ein weiteres Jahr bis zum 30. Juni 2011 verlängert hatte.

Er wurde von der Vereinigung der Vertragsfußballspieler (VDV) zum Spieler der Saison 06/07 gewählt. Im Dezember 2007 wurde Diego erneut zum Fußballer des Monats gewählt und ist mit fünf Auszeichnungen nun neuer Rekordhalter. Zudem erreichte er in jenem Monat mit 81% den höchsten Stimmanteil aller bisherig gewählten Fußballer. Von 275 befragten Bundesliga-Profis wurde Diego mit 44,9 Prozent deutlich vor Franck Ribéry (21,5%) und Rafael van der Vaart (16,8%) zum Spieler der Hinrunde 2007/08 gewählt.[

Diego spielte erstmals am 30. April 2003 gegen Mexiko in der brasilianischen A-Nationalmannschaft. Im Juli 2003 nahm er am Gold Cup teil, wo ihm in seinem dritten Länderspiel am 15. Juli 2003 gegen Honduras sein erster Länderspieltreffer gelang. Im Juli 2004 folgte die Teilnahme an der Copa América. Dort nahm er auch am Finale gegen Argentinien am 25. Juli 2004 teil.

In den folgenden zweieinhalb Jahren wurde Diego nicht mehr in der Seleção eingesetzt und verpasste dadurch unter anderem die WM 2006. Am 15. November 2006 kam er unter dem inzwischen zum Nationaltrainer avancierten Carlos Dunga im Spiel gegen die Schweiz erstmals wieder zu einem Länderspieleinsatz. Im Sommer 2007 nahm Diego mit Brasilien an der Copa América teil, wurde aber im ersten Spiel zur Halbzeit ausgewechselt und im dritten Spiel sowie dem Halbfinale jeweils in der 73. Minute eingewechselt. Im Finale wurde er in der Schlussminute eingewechselt.

Für die Olympiaauswahl Brasiliens für die Olympischen Sommerspiele 2008 wurde Diego am 8. Juli 2008 von Nationaltrainer Carlos Dunga nominiert. Obwohl Werder Bremen es Diego untersagte, nach Peking zu fliegen, setzte sich Diego – wie weitere Nationalspieler aus Bundesligavereinen – über das Verbot hinweg. Dort holte er mit seinem Team die Bronzemedaille.