Tornato in Italia, si è laureato al DAMS dell'Università degli Studi Roma Tre in Cinema, televisione e nuovi media. 

Nel 2018 ha partecipato all'annuale Festival di Sanremo con il brano Adesso, interpretato in coppia con il trombettista Roy Paci, classificandosi all'ottavo posto. Il 18 maggio dello stesso anno ha pubblicato il singolo inedito Essere semplice.

Nel 2019 ha esordito come attore nel film Un'avventura; nell'anno successivo viene chiamato a partecipare al Festival di Sanremo per la terza volta, con il brano Fai rumore. L'8 febbraio 2020 successivo vince la 70ª edizione del Festival di Sanremo, superando sul podio Francesco Gabbani ed i Pinguini Tattici Nucleari.

In quanto vincitore del Festival di Sanremo, Diodato viene designato come rappresentante dell'Italia all'Eurovision Song Contest 2020.