Nació en el seno de una familia noble, asentada en Madrid. Fue hijo de Gabriel de Peralta, y María de Solier. Por su padre fue nieto de García de Barrionuevo y Francisca Ximénez de Peralta, ambos madrileños. Fueron sus abuelos maternos los madrileños, Alonso Fernández de Peralta e Isabel de Solier.

Tuvo Diego un hermano, Jerónimo que llegaría a ser arcediano de Osma.^[1]​

Junto con Jerónimo de Barrionuevo,^{[Nota 1]}​ fue procurador por la villa de Madrid en las cortes de 1598.^[2]​En esta población llegaría a desarrollar distintos cargos municipales llegando a ser regidor y alguacil mayor. Hacia 1600, como regidor, fue uno de los primeros en alertar del traslado de la corte a Valladolid, donde permanecería desde ese año hasta 1606.^[3]​

En 1601 le fue otorgado el hábito de la orden de Santiago por Felipe III,^[4]​ siéndole despachado por el consejo de Órdenes en 1604. El 24 de julio de 1613 fue comisionado por la villa de Madrid, con permiso del Felipe III, para intervenir en Roma a favor de la canonización de Isidro Labrador.^[5]​ Esta canonización se produciría finalmente el 12 de marzo de 1622, por el papa Gregorio XV. finalmente, la ceremonia incluyó no solo al santo madrileño, sino otros santos españoles, Ignacio de Loyola, Francisco Javier, Teresa de Jesús y el florentino Felipe Neri. El escudo de Barrionuevo se dispuso en el escenario de la canonización en la basílica de San Pedro, junto con los de Felipe IV, de Madrid y de Francisco Fernández de la Cueva, VII duque de Alburquerque (embajador de Felipe IV en Roma).^[6]​^[7]​

En el momento de despedirse de Gregorio XV, antes de su vuelta a Madrid, este atribuyó a Diego de Barrionuevo, tal mérito y esfuerzos en la canonización, que dijo que bien podía levantarse una estatua.^[8]​

Hacía 1624 era propietario de unas casas en la calle de San José en la parroquia de San Martín de Madrid.^[9]​

Murió después de 1625.^[10]​

Casó en primeras nupcias con Micaela de Guevara y Salinas (Torrelaguna, ¿?-¿?) teniendo un hijo, Gabriel de Barrionuevo, caballero de la Orden de Santiago.^[11]​ En segundas nupcias estuvo casado con Isabel de Avendaño, de quién no tuvo sucesión. Dice Álvarez Baena, que era Isabel de Avendaño una mujer muy virtuosa y que antes de partir con su marido a Roma, consultó a Mariana de Jesús y que esta les dijo que tendrían éxito en la gestión encomendada a Diego por la Villa de Madrid.^[12]​

Diego de Barrionuevo tuvo una nieta, casada con Agustín del Yerro.^[13]​

• Caballero de la Orden de Santiago (13 de marzo de 1604)^[14]​^[15]​

• Procurador por Madrid en las Cortes de 1598.^[15]​
• Regidor perpetuo de Madrid.^[15]​
• Alguacil mayor de la villa de Madrid.^[15]​
• Alguacil mayor del Consejo de la Inquisición.^[15]​
• Gentilhombre de boca, al servicio del infante don Carlos (hijo de Felipe III y hermano de Felipe IV)^[15]​

• Álvarez Baena, José Antonio (1789). «Diego de Barrionuevo y Peralta». En Benito Cano, ed. Hijos de Madrid ilustres en santidad, dignidades, armas, ciencias y artes. Diccionario histórico por el orden alfabetico de sus nombres, que consagra il illmo. y nobilísimo ayuntamiento de la imperial y coronada villa de Madrid. Madrid. pp. 312-314. 
• Gutiérrez Álvarez, José Antonio (2018). La música del convento de San Felipe el Real de Madrid y su proyección urbana (ca. 1590-1800) (Tesis). Madrid: Universidad Complutense de Madrid.