Al no disputar ningún partido oficial con la selección brasileña y tener la nacionalidad española, debutó con la selección española de fútbol en 2014 y disputó el Mundial de Brasil ese mismo año.
Aquella temporada el Real Valladolid terminó bajando a Segunda División y Diego Costa anotó 8 goles en la competición liguera.
Durante la pretemporada 2010-11, el Club Atlético de Madrid tenía cuatro extranjeros en la plantilla.
Las dos primeras plazas estaban decididas pero la tercera deberían disputársela durante la pretemporada Eduardo Salvio y Diego Costa.
Su mejor actuación se produjo en un partido en el campo del Club Atlético Osasuna.
De nuevo, para la temporada 2011-12 el Atlético de Madrid tenía cuatro extranjeros en la plantilla y durante la pretemporada se debía decidir si salía cedido otra vez Salvio o sería Diego Costa.
Con el Rayo Vallecano anotó diez goles en dieciséis partidos que ayudaron al equipo a mantenerse en Primera División.
Una vez que finalizó su cesión en el Rayo Vallecano en la temporada 2012-13 regresó al Atlético de Madrid.
Tras comenzar la temporada como suplente por detrás de Falcao y Adrián, poco a poco se fue ganando la confianza de su entrenador y se convirtió en un fijo en las alineaciones del club colchonero en todos los partidos importantes.
Mención especial mereció su actuación en la Copa del Rey de fútbol.
El Atlético se enfrentó en la jornada trigésimo octava al Fútbol Club Barcelona, segundo clasificado y al que le sacaba tres puntos, en el Camp Nou.
Debido a que el partido de la primera vuelta había terminado en empate, si el Barcelona ganaba ese partido se proclamaba campeón mientras que al Atleti le bastaba con empatar.
Diego Costa fue titular pero en el minuto 16 se lesionó y tuvo que ser sustituido por Adrián.
Al finalizar la temporada fue incluido en el once ideal[11] de LaLiga.
Pese a esto se convirtió, empatado con Vavá, en el jugador que más goles ha anotado con el club colchonero en una única edición de la Copa de Europa gracias a los 8 tantos que ayudaron al Atlético de Madrid a clasificarse para jugar la final por segunda vez en su historia.
Costa realizó un gran año en su primera temporada en Inglaterra anotando veinte goles en veintiséis partidos disputados que ayudaron al equipo a proclamarse campeón de la Premier League.
Además del título de Liga, en su primer año también consiguió alzarse con la Copa de la Liga, ganándole la final al Tottenham Hotspur por dos a cero, siendo titular y anotando el segundo gol.
Tres días más tarde, Costa estuvo involucrado en una controversia en la victoria por 2-0 sobre el Arsenal; se golpeó en repetidas ocasiones con Laurent Koscielny y le golpeó el pecho, cayendo al piso, y luego se enfrentó a Gabriel, que presuntamente trató de darle una patada y fue expulsado, aunque el noticiero de ESPN Brasil más tarde mostró que no existió ningún tipo de contacto.
Marcó siete veces en sus primeros ocho juegos bajo la nueva dirección.
Más tarde, tanto Costa como Barry negaron que ocurriese el pique.
[16] Anotó dos goles en siete partidos aquella temporada, proclamándose por ello campeón de Liga a pesar de no formar ya parte del equipo cuando se alzó el título.
[17] Desde su marcha del equipo madrileño estuvo varios meses sin equipo, hasta que a mediados de agosto de 2021 se hizo oficial su fichaje por el Atlético Mineiro hasta finales del año 2022.
El delantero de 34 golpeó al entonces líder del Campeonato Brasileño.
Llegó a pedido del entrenador Bruno Lage, quien trabajó con él en Wolves.
Marcó tres goles en la primera fase, pero su selección fue eliminada por Rusia en los octavos de final.