Il y a un avant et un après Jorge Sampaoli dans la carrière de Marcelo Díaz. Le milieu de terrain est devenu le balancier de la sélection chilienne depuis l'arrivée au poste de sélectionneur de Sampa fin 2012. Díaz débute comme latéral à l'Universidad de Chile. En 2010, il rejoint Deportes La Serena, où il réalise un excellent championnat au poste de milieu de terrain. En 2011, Sampaoli devient entraîneur de la U et demande le retour d'El Chelo, qui vient apporter l'équilibre qui manquait à une équipe offensive qui allait ensuite gagner quatre titres au Chili et un en Amérique du Sud.

Les bonnes prestations de Marcelo Díaz lui valent une convocation de la part de Claudio Borghi avec la Roja, qu'il avait déjà fréquentée - sans jouer - à l'occasion de la Coupe du Monde U-20 de la FIFA, Pays-Bas 2005. Avec Borghi, il a un niveau irrégulier mais avec l'arrivée de Sampaoli, l'actuel joueur du Celta de Vigo devient un titulaire de l'entrejeu en raison de son sens du placement, de ses qualités défensives et de sa bonne vision du jeu.

Titulaire durant la Coupe du Monde 2014 au Brésil et la Copa América 2015 au Chili, il reste un rouage essentiel de la Roja depuis la prise de fonction de Juan Pizzi, sous les ordres de qui il a gagné la Copa América Centenario 2016.