Diogo Martins começou a jogar futebol aos 9 anos, na EF Belém e posteriormente no CF "Os Belenenses". Em 2021/2022 foi o 2.º melhor marcador da fase final do nacional de sub-15, conquistado pelo Sporting CP e na temporada seguinte trocou o SL Benfica pelos Leões.

O avançado de 17 anos é internacional português desde novembro de 2021 e já alinhou nos escalões sub-15, sub-16 e sub-18. Começou 2022/23 nos sub-16 Leoninos, mas acabou por se estrear nos sub-17. Na temporada seguinte integrou os sub-17, mas teve a oportunidade de jogar nos sub-19, onde esteve em 2024/25. Estreou-se na Liga Revelação em janeiro de 2025 e nesta época é peça integrante dos sub-23.