Aunque comenzó a actuar a los 7 años en cortometrajes y obras de teatro, sus trabajos más importantes se dieron durante la adolescencia, cuando apareció en exitosas novelas como El abuelo y yo y El premio mayor.
Tras un breve periodo de ausencia, Diego fue elegido para protagonizar su primera película: Y tu mamá también (2001), en donde se aborda el viaje de dos jóvenes adultos de clase media que intentan conquistar a una mujer española (Maribel Verdú).
La cinta –en donde Luna volvió a compartir créditos con Gael García Bernal, a quien conoció en los foros de El abuelo y yo–, se convirtió en un éxito crítico internacional tras estrenarse en el Festival de Cine de Venecia, donde ambos actores mexicanos fueron galardonados con el premio Marcello Mastroianni al Mejor Actor Revelación.
Además gozó de una proyección internacional que impulsó las jóvenes carreras de Luna y García Bernal, quienes comenzaron a ser buscados por productores de Hollywood.
