Em 2001 foi campeão paulista de kart, 3º colocado na Copa Parilla e 3º lugar no Pan-Americano. Em 2002 bicampeão paulista de... kart, vice-campeão sulamericano (SUDAM), qualificação FIA para participação no Campeonato Europeu e Mundial de Fórmula Kart, 4º lugar na Copa Brasil de Fórmula Kart. Participação do Campeonato Europeu de Formula Kart nas etapas realizadas na Bélgica, Alemanha e Itália. Após o kart, ingressou na Fórmula Renault de forma plena em 2003, tendo completado alguns eventos em 2002.
Ingressou na Fórmula 3 Sul-americana em 2005, chegando em 4º lugar no campeonato. Em 2006 obteve oito poles e uma vitória, obtendo o 3º.lugar na classificação final. Em 2006 competiu em duas provas da Fórmula 3000 Euroseries. No ano seguinte, o piloto disputou todo o campeonato, correndo para a equipe pertencente ao mesmo grupo da antiga equipe de F1, Minardi.
Nunes foi contratado pela Campos Racing para estrear junto com a equipe na GP2 Series Asiática em 2008, mas mudou-se para a David Price Racing após a 1ª etapa do campeonato.
Na temporada de 2009, disputou a principal porta de entrada da F1 pela equipe Sport International, tendo como companheiro de equipe, Giedo Van Der Garde.
Em 2010, retornou o Brasil para disputar a principal categoria do automobilismo brasileiro – a Stock Car, em sua primeira temporada Diego venceu pela primeira vez uma corrida da categoria, na última etapa do ano.
Em 2015 se destacou na Stock Car com uma participação presente e em 2016 não será diferente, pois mal começou o ano e Diego já foi Pole na segunda etapa do circuito, no autódromo do Velopark/RS.