Ο Δημήτρης Διαμαντίδης υπήρξε μέλος της εθνικής ομάδας νέων ανδρών για 16 αγώνες σκοράροντας 51 πόντους. Αγωνίστηκε για πρώτη φορά με την εθνική ομάδα ανδρών το 2001 στους Μεσογειακούς Αγώνες, όπου κέρδισε το ασημένιο μετάλλιο, σε ηλικία 21 ετών. Ήταν στο Ευρωμπάσκετ 2003 της Σουηδίας, στο οποίο η εθνική κατέκτησε την πέμπτη θέση νικώντας την τότε Σερβία και Μαυροβούνιο με 72-64.

Στο Ευρωμπάσκετ 2005 που πραγματοποιήθηκε στο Βελιγράδι, συνέβαλλε στη κατάκτηση του χρυσού μεταλλίου για δεύτερη φορά στην ιστορία της Ελλάδας, όταν στον ημιτελικό, το σκορ ήταν 64-66 υπέρ των Γάλλων και με τρίποντο 3 δευτερόλεπτα πριν το τέλος έστειλε την Εθνική στον τελικό. Το τρίποντο αυτό έχει μείνει στην ιστορία όχι μόνο λόγω της μεγάλης σημασίας του, αλλά και εξαιτίας της περιγραφής του Βασίλη Σκουντή (Βαλ' το αγόρι μου)  Μετά το τέλος του αγώνα ο 3D δήλωσε ότι: ''Έτυχε να βρεθώ στη θέση αυτή και σούταρα απλά. Δεν είμαι πρωταγωνιστής, είμαστε δώδεκα παιδιά που έπαιξαν για την ομάδα και είναι μεγάλη επιτυχία που φτάσαμε στον τελικό'', ενώ ο Θοδωρής Παπαλουκάς δήλωσε: ''Να είναι καλά ο Δημήτρης που για ακόμα μια φορά μας έβγαλε από την πολύ δύσκολη θέση. Έδειξε ολύμπια ψυχραιμία και μας έστειλε στον έβδομο ουρανό''. Ο Διαμαντίδης σε αυτό το Ευρωμπάσκετ βγήκε πρώτος στις ασίστ με μέσο όρο 5 ανά παιχνίδι και μέλος της καλύτερης πεντάδας του τουρνουά.

Το 2006 ήταν ένας από τους σημαντικότερους συντελεστές της τεράστιας επιτυχίας της Ελλάδας που πήρε το ασημένιο μετάλλιο στο Παγκόσμιο Πρωτάθλημα 2006. Η Εθνική ομάδα έφτασε αήττητη στον ημιτελικό κάνοντας εφτά συνεχόμενες νίκες κόντρα σε Κατάρ, Λιθουανία, Αυστραλία, Βραζιλία,Τουρκία,Κίνα (95-64) και στα προημιτελικά τη Γαλλία (73-56). Η Ελλάδα κέρδισε τις ΗΠΑ και μάλιστα ξεπερνώντας τους 100 πόντους (101-95) στον ημιτελικό, με τον 3D να έχει 12 πόντους, 5 ασίστ,3 ριμπάουντ, 2 κλεψίματα και μια τάπα κόντρα στον Κρις Πολ σε 39 λεπτά συμμετοχής. Στον τελικό η ομάδα του Παναγιώτη Γιαννάκη έχασε από τους Ισπανούς(47-70). Σε αυτό το τουρνουά ο 3D βγήκε πρώτος στα κλεψίματα με μέσο όρο 3.3.

Ο Διαμαντίδης ήταν παρών και στο Ευρωμπάσκετ 2007 στην Ισπανία,στο οποίο η Ελλάδα βγήκε τέταρτη αφού έχασε στον Μικρό Τελικό από τους Λιθουανούς, με 69-78 και τον Διαμαντίδη να έχει 7 πόντους, 7 ριμπάουντ και 4 ασίστ. Απουσίασε από το Ευρωμπάσκετ του 2009 λόγω τραυματισμών και κόπωσης, όμως αγωνίστηκε στο Παγκόσμιο Πρωτάθλημα 2010 στην Τουρκία. Μετά τον αποκλεισμό από την Ισπανία (80-72) στις 4 Σεπτεμβρίου ανακοίνωσε ότι αποχωρεί από την Εθνική σε ηλικία 30 ετών. Στον τελευταίο του αγώνα με το εθνόσημο, ο Διαμαντίδης σημείωσε 16 πόντους, 4 ριμπάουντ, 2 ασίστ και 2 κλεψίματα σε 38 λεπτά συμμετοχής. Το Μάιο του 2011, σε συνέντευξή του στην ελληνική κρατική τηλεόραση, επιβεβαίωσε την απόφασή του να αποσυρθεί οριστικά από την Εθνική ομάδα, προκειμένου να αντεπεξέλθει στις υποχρεώσεις των αγώνων υψηλού επιπέδου για την επόμενη τριετία. Ο Διαμαντίδης έλαβε μέρος και σε εφτά Τουρνουά Ακρόπολις κερδίζοντας δύο φορές τον τίτλο του MVP. Με την εθνική ομάδα ο Δημήτρης Διαμαντίδης αγωνίστηκε σε 124 παιχνίδια και σκόραρε 760 πόντους (μ.ο: 6.13).

Πηγή:el.wikipedia.org