El atacante convirtió el 1-0 ante Uruguay en los Juegos Odesur de 2018, que le permitió a La Roja Sub 20 alcanzar el primer lugar en Cochabamba. Además, el jugador fue mundialista Sub 17 en 2017.
Desde los 16 años, Diego Valencia se ha mantenido en la órbita de las distintas categorías de La Roja. Su primera aparición se dio en el marco del Sudamericano Sub 17 de 2017 en Chile, donde disputó tres partidos y ayudó a conseguir la clasificación al Mundial.
En la Copa del Mundo Sub 17 en India, el jugador de Universidad Católica fue considerado en el plantel y sumó minutos en los partidos ante México e Irak.
En 2018, como parte de la nómina de la Sub 20 en los Juegos Odesur en Cochabamba, Bolivia, el delantero fue pieza clave para la obtención de la medalla de oro, al convertir el gol del triunfo ante Uruguay (1-0) en tiempo extra.
Tras esto, participó del Sudamericano Sub 20 de 2019 y del Preolímpico de Colombia en 2020. Además, ha sido parte de los microciclos del seleccionado adulto, debutando bajo la dirección de Martín Lasarte, en los cuartos de final ante Brasil en la Copa América del 2021. Dos meses después, debutó en Eliminatorias, ingresando en los minutos finales de la visita a Ecuador en Quito.
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