Diego es guionista y docente. Creador -con Mar Coll y Valentina Viso- de la serie española Matar al Padre (2018), estrenada en la plataforma Movistar+. Su primer largometraje de ficción, Octubre (2010), recibió  el Premio del Jurado en la Sección Oficial, Un Certain Regard, en el Festival de Cannes. Su segundo largometraje, El Mudo (2013) tuvo su Premiere Mundial en el Concorso Internazionale en Locarno, donde recibió el Leopardo de Plata al Mejor Actor. El actor principal se convirtió en el actor más premiado de la historia del cine peruano, consiguiendo premios en festivales como BAFICI, donde la película también fue reconocida con el premio a Mejor Dirección. Su tercera película se titula La Bronca, es un drama situado en Montreal, Canadá que se estrenó internacionalmente en Horizontes Latinos en el Festival de Cine de San Sebastián donde obtuvo el Premio del Jurado. Su filmografía en codirección con su hermano Daniel Vega Vidal la completa tres cortometrajes, Interior Bajo Izquierda (2008), Alondra (2015) y Dona y César (2021). El segundo forma parte del proyecto El Aula Vacía de la productora mexicana Canana, bajo el auspicio del BID, que explora las razones de la deserción escolar en América Latina.

En el 2017 fue director invitado para los 4 capítulos finales de la Temporada 2 de la serie El Chapo, para Story House-Netflix donde también participó como guionista. En junio del 2019 filmó junto con Daniel la primera serie peruana para Movistar+ Latam, El día de mi suerte, producción en la que también participó como guionista.