När Italien 1915 inträdde i första världskriget blev Diaz i egenskap av generalstabschef den som ledde landets militära operationer. I november 1917 efterträdde han general Luigi Cadorna som befälhavare för Isonzofronten. Den offensiv han igångsatte i oktober 1918 ledde till den avgörande segern vid Vittorio-Veneto, varigenom österrikarna kunde fördrivas från