У дорослому футболі дебютував 2003 року виступами за команду клубу «Флуміненсе», в якій провів два сезони, взявши участь у 69 матчах чемпіонату.
2003 року футболіст перебрався до Європи — в португальську «Бенфіку». Однак у складі нового клубу бразильцеві закріпитися не вдалося і Дієго був відданий в оренду спочатку до «Фламенгу», а потім до «Греміу». У складі «Греміу» Дієго Соуза був одним з лідерів команди та допоміг клубу 2007 року дістатися до фіналу Кубка Лібертадорес. Саме його голи стали вирішальними у протистояннях з «Сан-Паулу» у 1/8 фіналу та з «Сантусом» у півфіналі.
2008 року Дієго Соуза перейшов до «Палмейраса». Відіграв за команду з Сан-Паулу наступні два сезони своєї ігрової кар'єри. Більшість часу, проведеного у складі «Палмейраса», був основним гравцем команди.
На початку 2010 року футболістом, за повідомленнями деяких джерел, цікавився московський ЦСКА[2][3], а в середині 2010 року обговорювався можливий перехід Дієго Соузи в «Лаціо» чи інший європейський клуб[4], однак півзахисник вирішив залишитися на батьківщині і перейшов у «Атлетіку Мінейру» за 3 млн євро.
У березні 2011 року підписав контракт з «Васко да Гамою», проте вже в середині 2012 року перебрався в саудівський «Аль-Іттіхад», де заграти не зумів і на початку 2013 року повернувся на батьківщину в «Крузейру».
У липні 2013 року Дієго Соуза перейшов в харківський «Металіст». За його трансфер харків'яни заплатили чотири мільйони євро[5].
Влітку 2014 року перейшов на правах оренди в бразильський клуб «Спорт Ресіфі». В січні 2015 року оренда була продовжена до кінця 2015 року[6].
18 грудня 2015 офіційно знову став гравцем «Флуміненсе», з яким підписав контракт до кінця 2018 року[7]. Проте, вже 22 березня він повернувся до «Спорт Ресіфі», підписавши контракт до кінця 2017 року[8].
До складу клубу «Греміо» повернувся на початку 2020 року[10]. Станом на 10 лютого 2021 року відіграв за команду з Порту-Алегрі 24 матчі в національному чемпіонаті.