Di famiglia di origine italiana[4], esordisce il 24 luglio 2002 nel Palmeiras, dove è riserva del portiere titolare della Nazionale penta-campeão nel campionato del mondo 2002Marcos. A inizio stagione del 2006, dopo l'infortunio di Marcos, Diego diventa titolare per la prima volta nel classico derby brasiliano tra Palmeiras e Corinthians, partita che finirà per 1 a 0 per la squadra bianco-verde.
L'11 luglio del 2008 Cavalieri firma un contratto quadriennale che lo lega al Liverpool.[5] Il 9 dicembre 2008 esordisce in Champions League nella gara vinta dal Liverpool per 3-1 a Eindhoven contro il PSV.
Il 23 agosto 2010, dopo aver rescisso il contratto con il Liverpool, si trasferisce a titolo definitivo al Cesena, siglando con la società romagnola un contratto sino al 2011 con opzione per l'anno successivo. Il 30 dicembre 2010 il portiere brasiliano lascia il club romagnolo e si accasa alla Fluminense, club brasiliano, fino alla fine della stagione 2011.