У дорослому футболі дебютував 1999 року виступами за «Расинг» (Авельянеда), в якому провів п'ять сезонів, взявши участь у 137 матчах чемпіонату. Більшість часу, проведеного у складі «Расинга», був основним гравцем атакувальної ланки команди. За цей час виборов титул чемпіона Аргентини.
Протягом 2004–2005 років захищав кольори команди клубу «Дженоа», проте після того як клуб через договірні матчі було відправлено в Серію С1, залишив «грифонів».
Своєю грою привернув увагу представників тренерського штабу клубу «Реал Сарагоса», до складу якого приєднався влітку 2005 року. В цей час в клубі вже грав його брат Габріель, який був капітаном команди. Дієго відіграв за клуб з Сарагоси наступні три сезони своєї ігрової кар'єри. Граючи у складі сарагоського «Реала» також здебільшого виходив на поле в основному складі команди. У складі сарагоського «Реала» був одним з головних бомбардирів команди, маючи середню результативність на рівні 0,49 голу за гру першості. А після того як брат перейшов у «Барселону», протягом сезону 2007-08 Дієго став капітаном команди. Проте за підсумками сезону «Сарагоса» вилетіла у Сегунду і Дієго Міліто залишив іспанський клуб.
Протягом сезону 2008-09 років знову захищав кольори «Дженоа», який без Дієго за два роки зміг піднятися з третього дивізіону у найвищий. У складі генуезького клубу був визнаний гравцем року в Італії.
До складу клубу «Інтернаціонале» приєднався влітку 2009 року. Відіграв за «нераззуррі» 128 матчів в національному чемпіонаті, в яких відзначився 62 голами.
2014 року повернувся до клубу «Расинг» (Авельянеда), в якому свого часу робив перші кроки у професійному футболі.