Avviato giovanissimo alla carriera militare, Diaz fu allievo dell'Accademia militare d'artiglieria di Torino, dove divenne ufficiale.

Prese servizio nel 1884 al 10° Reggimento di artiglieria da campo, e dal 1890 al 1° Reggimento col grado di capitano.

Nel 1894 frequentò la scuola di guerra, classificandosi primo, e l'anno dopo sposò Sarah De Rosa. Dal 1895 al 1916 lavorò allo Stato Maggiore, nella segreteria del generale Alberto Pollio, e nel 1899 venne promosso maggiore, comandando per 18 mesi un battaglione del 26° Reggimento fanteria.

Tenente colonnello nel 1905, passò dopo alcuni anni alla Divisione di Firenze come capo di Stato Maggiore.

Nel 1910, durante la guerra italo-turca, comandò il 21° fanteria e l'anno dopo il 93° in Libia, che era rimasto improvvisamente senza comando. Sempre in Libia, a Zanzur, fu ferito nel 1912.

Nel 1914, alla dichiarazione di intervento dell'Italia nella prima guerra mondiale, Luigi Cadorna lo nominò maggior generale, con incarico al Corpo di Stato Maggiore come addetto al comando supremo del reparto operazioni. Ma nel giugno del 1916 chiese di essere destinato a un reparto combattente. Divenuto Segretario del Comandante di Stato Maggiore, Generale Pollio, fu promosso tenente generale di divisione, gli fu affidato il comando della 49a Divisione nella 3a Armata, e nell'aprile del 1917 assunse la carica superiore al XXIII Corpo d'armata sul Carso, ove si mise in luce per la sua abilità.

Questo breve periodo prima di Caporetto gli valse la medaglia d'argento al valor militare per una ferita riportata alla spalla.

La sera dell'8 novembre 1917 fu chiamato, con Regio Decreto, a sostituire Luigi Cadorna nella carica di capo di Stato Maggiore dell'esercito italiano.

Nell'autunno del 1918 guidò alla vittoria le truppe italiane, iniziando l'offensiva il 24 ottobre, con lo scontro tra 55 divisioni italiane contro 60 austriache. Il piano non prevedeva attacchi frontali, ma un colpo concentrato su un unico punto - Vittorio Veneto - per spezzare il fronte nemico. Iniziando una manovra diversiva, Diaz attirò tutti i rinforzi austriaci lungo il Piave, che il nemico credeva essere il punto dell'attacco principale, costringendoli all'inazione per la piena del fiume. Nella notte tra il 28 e 29 ottobre, Diaz passò all'attacco, con teste di ponte isolate che avanzavano lungo il centro del fronte, facendo allargare le ali per coprire l'avanzata. Il fronte dell'esercito austriaco si spezzò, innescando una reazione a catena ingovernabile.

Il 30 ottobre l'esercito italiano arrivò a Vittorio Veneto, mentre altre armate passarono il Piave e avanzarono, arrivando a Trento il 3 novembre. Il 4 novembre 1918 l'Austria capitolò, e per la storica occasione Diaz stilò il famoso Bollettino della Vittoria, in cui comunicava la rotta dell'esercito nemico ed il successo italiano.

Al termine della guerra Diaz divenne senatore del Regno, nel 1921 venne insignito del titolo di "Duca della Vittoria".

Sempre nel 1921, Diaz fu il primo italiano ad essere onorato da una ticker-tape parade dalla città di New York, in occasione del suo viaggio negli USA. Durante lo stesso viaggio, il 1° novembre, Diaz si recò a Kansas City per prendere parte alla cerimonia d'inaugurazione del Memoriale della libertà - il monumento nazionale statunitense in ricordo della Grande Guerra - che era stato eretto in quella città.

Andando contro il parere di Pietro Badoglio, Diaz sconsigliò, nel 1922, una soluzione militare della crisi innescata dalla marcia su Roma.

Nel 1924, maresciallo d’Italia, per opera di Mussolini, il cui primo governo vide proprio Diaz tra i protagonisti, alla guida del ministero della difesa e su precisa condizione del re Vittorio Emanuele III che intendeva in questo modo porre nel governo una figura di prestigio e lealmente monarchica, assunse l'incarico di Ministro della Guerra, varando la riforma delle forze armate e accettando la costituzione della "Milizia Volontaria per la Sicurezza Nazionale" sottoposta al potere personale di Mussolini.

Terminata l'esperienza governativa il 30 aprile 1924, si ritirò a vita privata. Nello stesso anno, venne insignito insieme al generale Cadorna del grado di Maresciallo d'Italia, istituito espressamente da Mussolini per onorare i comandanti dell'esercito nella prima guerra mondiale.

Morì a Roma il 29 febbraio 1928 e fu seppellito nella chiesa di Santa Maria degli Angeli e dei Martiri, dove riposa vicino all'ammiraglio Paolo Thaon di Revel.

Rispettato Condottiero, Ideale da imitare, Eroe di Terra... sarà proprio il Tenente Pilota Guido Rossi assieme al I° Aviere Tosoni ad effettuare il Volo d'Onore e scortare con il suo apparecchio A300.4, i funerali di Stato avvenuti il 3 Marzo 1928 a Roma - Documentato su Libretto Caratteristico I esemplare - pagina 12