Diodoro, di nobile famiglia, nacque in Antiochia ca. nel 330 e studiò ad Atene. Successivamente entrò in un monastero vicino ad Antiochia, ma nel 361 fu coinvolto nello scisma interno alla Chiesa di Antiochia, parteggiando per Melezio, dal quale fu nominato prete.
Durante il regno di Giuliano l'Apostata (361-363), D. si impegnò in una coraggiosa e vivace polemica con l'imperatore stesso, il quale aveva attribuito la salute precaria di D. ad una punizione inflitta dagli Dei pagani. Sopravvisse anche le persecuzioni ordinate dall'imperatore Valente (364-378), coordinando, assieme a Flaviano, le fila dei meleziani, dopo l'esilio del loro ispiratore.
Nel 372, D. conobbe San Basilio, che lo creò vescovo di Tarso, mentre poco dopo l'imperatore Teodosio (379-395) lo nominò come uno dei referenti per l'ortodossia per l'Oriente. Inoltre egli fu anche amico e sostenitore di San Crisostomo. D. morì nel 391 ca.
D. fu il principale esponente della teologia antiochena e un convinto assertore della esegesi letterale e storica della Bibbia, in contrasto con gli origenisti. Il suo coinvolgimento nella storia delle eresie cristologiche si riferisce al fatto di aver esagerato nella difesa dell'ortodossia contro Apollinare di Laodicea, insistendo sulle due nature, divina e umana, di Cristo, ma senza risolvere il problema di come potessero coesistere in un'unica persona.
Per D. e per il suo discepolo Teodoro di Mopsuestia fu chiesta una condanna postuma nel 437 da parte di Cirillo di Alessandria, sia perché nei loro scritti avevano ribadito che l'umanità di Cristo doveva presupporre una personalità umana, ma forse soprattutto perché i due erano stati, rispettivamente, la fonte d'ispirazione (del tutto innocente) e il maestro di Nestorio. In tale occasione essi furono difesi da Teodoreto di Ciro.