Empezó en las categorías inferiores del Godoy Cruz de Mendoza y cuando tenía 16 años llevó su talento al fútbol chileno. Se convirtió en una de las figuras del Audax Italiano. Sus grandes actuaciones le valieron el traspaso al Chelsea en diciembre de 2007. Después de que Audax Italiano cayera en las semifinales del Clausura 2007 ante la Universidad de Concepción, el entrenador Raúl Toro comunicó la salida de Di Santo, quien tenía ofertas del Chelsea. El 18 de diciembre de 2007, se concretó dicha transferencia al equipo inglés a cambio de unos 7M de dólares.,El 15 de abril de 2008, Di Santo anotó su primer Hat-Trick ante las reservas del Tottenham Hotspur, contribuyendo notablemente a que su equipo se impusiera por 3-0. Di Santo finalizó la temporada 2007-08 con 12 goles anotados en 8 partidos.
Di Santo fue elegido para viajar con el primer equipo a la gira por China. Se le asignó el dorsal número 36, aunque después tomó el 9. En el primer partido de la pretemporada ante el Guangzhou Evergrande, Di Santo anotó su primer gol con el primer equipo del Chelsea, contribuyendo a que su equipo se impusiera por 4-0.
El 31 de agosto del 2008 debutó en la Premier con el Chelsea en un partido ante el Tottenham Hotspur, sustituyendo a Nicolas Anelka (1-1). Debutó en la Football League Cup contra el Portsmouth el 24 de septiembre de 2008, sustituyendo en el minuto 79 a Drogba (4-0). Debutó en la Liga de Campeones contra el CFR Cluj, sustituyendo a Florent Malouda al minuto 70 (0-0). El 3 de enero de 2009 debutó en la FA Cup contra el Southend United (0-0).

El mejor momento de Di Santo con el Chelsea fue en un partido contra el Stoke City sustituyendo a Florent Malouda, contribuyendo con una asistencia en el minuto 88 a Juliano Belletti para la anotación del 1-1. Lampard se encargaría de poner el 2-1 definitivo en el minuto 94.

El 3 de agosto de 2009 fue cedido al Blackburn Rovers hasta enero de 2010.
El 18 de octubre de 2009 Di Santo anotó su primer gol en la Premier con el Blackburn Rovers en un partido frente al Burnley FC (3-2). El 30 de diciembre de 2009, Di Santo decidió extender su préstamo con el Blackburn hasta el fin de la temporada 2009-10. Sin embargo, tuvo menos participación que antes, ya que pasó a ser suplente, sobre todo en los últimos partidos. Su participación con el equipo bajó a tal grado que no fue seleccionado para disputar el último partido de la temporada.

Cuando terminó su cesión, disputó unos partidos de pretemporada con el Chelsea. Sin embargo, el 31 de agosto de 2010, Di Santo fue vendido al Wigan, firmando un contrato de 3 años. Su debut en la Premier con el Wigan fue el 11 de septiembre de 2010 ante el Sunderland AFC (1-1). Su primer gol con el Wigan fue el 23 de abril de 2011 en la derrota por 4-2 ante el Sunderland AFC.

A pesar del interés de Chile por contar con él, Di Santo decidió vestir la camiseta argentina, y el 6 de diciembre de 2006 debutó con la Sub-20 paradójicamente frente a Chile.
Di Santo jugó el Campeonato Sudamericano Sub-20 de 2007, en el que marcó solo un gol a Venezuela (6-0). En 2009 fue convocado nuevamente para integrar el seleccionado Sub-20, pero su equipo, el Chelsea se negó debido a la lesión de Drogba.