２００４年４月２３日生まれ、ブラジル・サンパウロ州のグアルーリョス出身のディオゴ・モレイラは、ブラジルのモトクロス選手権に参戦していた父親の影響を受けてバイクに乗り始め、アレックス・バロス、ホンダ、エストレージャ・ガリシア・０,０の支援を受け、２０１７年に父親と共に活動の拠点をブラジルからスペインに移し、２０１９年に『ヨーロピアン・タレント・カップ』に参戦。２０２０年から『Moto3™ジュニア世界選手権』、２０２１年には『レッドブル・ルーキーズ・カップ』にも参戦。
２０２２年、ＭＴヘルメット－ＭＳＩから『Moto3™』への参戦を開始。１年目に１２度のトップ１０入りを果たして新人王を獲得。２年目の開幕戦ポルトガルＧＰで初表彰台、第１５戦インドネシアＧＰでの初優勝を獲得して２年連続の総合８位。
２０２４年はイタリトランス・レーシングから『Moto2™』に昇格。最終戦ソリダリティＧＰで初表彰台を獲得して２度目の新人王と総合１３位。
２年目は第１０戦オランダＧＰで初優勝、第２０戦マレーシアＧＰでポイントリーダーに浮上、第２１戦ポルトガルＧＰでシーズン４勝目を挙げ、最終戦バレンシアＧＰでタイトルを獲得。ブラジル史上初のチャンピオンに輝く。
フル参戦５年目の２０２６年は、２０２５年１０月１４日にＨＲＣとの間で複数年契約を締結したことから、サテライトチームのホンダ・ＬＣＲからプレミアクラスに初参戦。ブラジル人ライダーとしては、１９９０年から２００７年まで参戦したアレックス・バロス以来１９年ぶりの参戦。