Boneta nació en Ciudad de México, hijo de dos ingenieros, Lauro González, nacido también en Ciudad de México, y Astrid Boneta, nacida en Estados Unidos de origen puertorriqueño y español. Tiene dos hermanos. Aunque nunca conoció a su abuelo materno, Otto Boneta, compositor y psiquiatra, Diego le atribuye su talento musical. Boneta creció en Los Ángeles, California y Ciudad de México.^[1]​

Hizo su debut en 2002, cuando participó en el reality show Código F.A.M.A. Participó en telenovelas infantiles de Televisa como Alegrijes y rebujos y Misión S.O.S.. También participó en la telenovela juvenil mexicana Rebelde. Lanzó su álbum debut homónimo con su primer sencillo Responde en 2005 y una versión en portugués en 2006. En 2008 lanzó su segundo álbum llamado Indigo, la cual lanzó dos sencillos, «Perdido en ti» y «Millón de años». En 2010, apareció en la serie de televisión Pretty Little Liars como Alex Santiago^[2]​ y en 90210 como Javier Luna, donde pudo cantar y componer, principalmente la canción «Siempre tú», que salió al final de la segunda temporada y al comienzo de la tercera. Su primera película fue en 2011 como Tyler Adams en Mean Girls 2 junto a Meaghan Martin y Jennifer Stone.^[3]​

Su gran oportunidad en Hollywood llegó cuando protagonizó la adaptación cinematográfica de Adam Shankman del exitoso musical de Broadway Rock of Ages junto a Tom Cruise y Julianne Hough. Interpretó a Drew Boley, un joven advenedizo de Los Ángeles a finales de la década de 1980 que sueña con convertirse en una estrella de rock.^[4]​

En 2012, protagonizó la serie de MTV Underemployed. En esta serie interpretó a Miles González, un stripper. En 2014, Boneta apareció en la campaña "Making of a Star" de Abercrombie & Fitch. En 2015, interpretó al guerrero Amram en la miniserie The Dovekeepers y grabó la canción «The Warrior», que se utilizó como tema de apertura de la serie. Entre septiembre y diciembre de 2015 protagonizó la serie de comedia y terror de Ryan Murphy, Scream Queens, para la cadena Fox. El programa contó con un elenco de estrellas que incluía a Ariana Grande, Keke Palmer, Nick Jonas, Emma Roberts, Jamie Lee Curtis y Lea Michele.^[5]​ Posteriormente, tuvo papeles importantes en las películas Terminator: Dark Fate (2019)^[6]​ y Monster Hunter (2020).^[7]​

Boneta interpretó a Luis Miguel, el artista ganador del premio Grammy en la serie biomusical de televisión Luis Miguel: la serie. La ficción se basa en los inicios de la carrera del famoso artista mexicano, cuyo estreno se dio el 22 de abril de 2018 en Telemundo y Netflix. Contó con dos temporadas más, con el interprete de nuevo como protagonista.^[8]​

En 2022 protagonizó la nueva versión de la comedia romántica Father of the Bride (2022), junto a Adria Arjona. La película también fue protagonizada por Andy García y Gloria Estefan y se estrenó en HBO Max.^[9]​ Al año siguiente protagonizó la comedia romántica de Paramount+ At Midnight (2023) junto a Monica Barbaro. Boneta produjo la película y recibió el crédito de la historia por escribir el borrador original de la película.^[10]​ En 2024 protagonizó la serie limitada ¿Quién lo mató? como Jorge Gil.^[11]​

• Disco Código F.A.M.A. (2003)
• Disco Alegrije (2003)
• Disco Rebujo (2003)
• Navidad Alegrije (2003)
• Navidad Rebujo (2003)
• Alegrijes y Rebujos en concierto (2004)
• Mi Misión es cantar (2004)
• Aventura y amor (2004)
• Al rescate de la Navidad (2005)
• Pretty Little Liars (2010-2011)
• 90210 (2010-2011)
• Rock of Ages (2012)
• Luis Miguel: la serie (2018)

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