Σύμφωνα με την παράδοση, στους πρώτους ολυμπιακούς αγώνες του 776 π.Χ. κέρδισε τον αγώνα δρόμου του ενός σταδίου, μοναδικού αγωνίσματος την εποχή εκείνη. Ήταν από την Ήλιδα, τη διοργανώτρια πόλη των αγώνων, και μάγειρος στο επάγγελμα, δηλαδή θυσιαστής ιερών σφαγίων.
Νικητής το 720 π.Χ. στο στάδιο. Λέγεται ότι η γυμνότητα των αθλητών στους αγώνες καθιερώθηκε έπειτα από δική του έμπνευση.
Ο πρώτος νικητής στο αγώνισμα της πυγμαχίας, που συμπεριλήφθηκε στους ολυμπιακούς το 688 π.Χ. Συνέβαλε μάλιστα στην κωδικοποίηση των κανονισμών του αθλήματος.
7 φορές ολυμπιονίκης: νίκησε στο στάδιο το 668 π.Χ., ενώ στις 3 επόμενες ολυμπιάδες κέρδισε τον κότινο και στα δύο αγωνίσματα δρόμου που διεξάγονταν στην εποχή του (στάδιον, δίαυλος). Διάσημος και για τις επιδόσεις του στο άλμα, λέγεται ότι ξεπερνούσε τα 7 μ.
Αναδείχτηκε ολυμπιονίκης 3 φορές στο άθλημα του πεντάθλου, από το 676 π.Χ. έως το 668 π.Χ., πιθανώς ο πρώτος ο οποίος κέρδισε 3 φορές συνεχόμενα στο συγκεκριμένο αγώνισμα.
Από τους πιο γνωστούς αθλητές της αρχαιότητας. Νίκησε 6 φορές στα Ολύμπια (το 540 π.Χ. στην πάλη παίδων, στις επόμενες 5 ολυμπιάδες στην πάλη ανδρών), 7 φορές στα Πύθια, 9 στα Νέμεα, 10 στα Ίσθμια, και πολλές ακόμα φορές σε τοπικούς αγώνες. Μαθητής του μαθηματικού και φιλόσοφου Πυθαγόρα, λέγεται πως ήταν επίσης ποιητής και μουσικός.
Το 512 π.Χ., μέσα στο ίδιο πρωινό κέρδισε και τα τρία αγωνίσματα δρόμου (στάδιον, δίαυλος, οπλίτης δρόμος).
Το 480 π.Χ., στην Ολυμπία, στέφθηκε νικητής στην πυγμή, ενώ το 476 π.Χ. στο παγκράτιο. Νίκησε επίσης 3 φορές στα Πύθια, 9 στα Νέμεα, 10 στα Ίσθμια. Λέγεται ότι ο συνολικός αριθμός των στεφανιών που είχε κερδίσει σε διάφορους αγώνες έφτανε τα 1.400.
Ξακουστός αθλητής τόσο για τις επιδόσεις του όσο και για την προσωπικότητά του και τον «ευθύμαχο» τρόπο που αγωνιζόταν. Το 464 π.Χ. στέφθηκε νικητής στην Ολυμπία. Σύμφωνα με την παράδοση, στον τόπο των αγώνων άφησε και την τελευταία του πνοή το 448 π.Χ., καθώς οι δύο ολυμπιονίκες γιοι του τον περιέφεραν στους ώμους για τον γύρο του θριάμβου, ένας θάνατος που θεωρήθηκε αξιοζήλευτος, σημάδι εύνοιας των θεών.
Οι τρεις γιοι του Διαγόρα, ολυμπιονίκες στην πυγμαχία και το παγκράτιο. Τον κότινο είχαν επίσης κερδίσει οι δύο γαμπροί του Διαγόρα καθώς και οι δύο εγγονοί του.
Αθλητής με σπουδαίες επιδόσεις σε τρεις συνεχόμενες ολυμπιάδες (488, 484, 480 π.Χ.). Ωστόσο έμεινε γνωστός ως περίπτωση «μεταγραφής» από τον Κρότωνα στις Συρακούσες, γεγονός που του κόστισε την οργή των συμπολιτών του.
Η Κυνίσκα, κόρη του βασιλιά της Σπάρτης Αρχίδαμου, είναι η πρώτη γυναίκα στην ιστορία που κέρδισε τον κότινο ως ιδιοκτήτρια του νικηφόρου τέθριππου, και μάλιστα δύο φορές, το 396 π.Χ. και το 392 π.Χ.
Κατάφερε να κερδίσει και τους τρεις δρόμους ταχύτητας (στάδιο, δίαυλος, οπλίτης δρόμος) σε τέσσερις συνεχείς ολυμπιάδες, από το 164 έως το 152 π.Χ. , κερδίζοντας δηλαδή 12 ολυμπιακά στεφάνια.
Νικητής το 49 π.Χ. Εκτός από τις νίκες του, θαυμάστηκε για την ιδιαίτερη τεχνική του, χάρη στην οποία κατόρθωσε να μείνει τόσο υγιής και άθικτος στο σώμα, όσο ένας δρομέας.