Romain de naissance, pur produit du centre de formation de la Lazio, Marco Di Vaio débute avec les Biancolesti en 1994, à 18 ans. Malgré 3 buts lors de ses 8 premiers matchs, il n'a pas la confiance de son entraîneur et se voit contraint de quitter le club. S'ensuit alors un périple en Série B avec le Hellas Vérone, Bari et Salernitana. C'est avec ce dernier club que Di Vaio éclate enfin. Il plante 33 buts en 67 matchs, participant ainsi activement à la montée en Série A au terme de la saison 1997/1998. Courtisé par les plus grosses cylindrées transalpines, il rejoint Parme à l'été 1999 pour 16 millions d'euros. Après une saison d'adaptation, il inscrit 15 buts en 27 matchs en 2000/2001, puis 20 lors de l'exercice suivant couronné d'un triomphe en Coupe d'Italie. C'est au cours de cette même saison qu'il est sélectionné pour la première fois en équipe nationale pour un match amical face aux USA. Il manque pourtant la Coupe du Monde 2002 quelques mois plus tard. A l'été 2002, la Juventus pose alors 26 millions d'euros sur la table pour le faire venir au Stadio delle Alpi. Barré par le duo David Trezeguet - Alessandro Del Piero, Di Vaio parvient tout de même à marquer 7 buts en 26 apparitions. Il participe également à 11 matchs de Ligue des Champions mais regarde du banc la défaite des siens face au Milan en finale. La déception est grande mais Marco se console en remportant le titre de champion d'Italie. Dans la foulée, il accomplit une saison 2003/2004 de toute beauté. 11 buts en 29 matchs de championnat, 3 en 7 de Ligue des Champions, l'Italien s'éclate. La Juventus cède malgré tout son titre et Di Vaio, lui, s'envole pour l'Espagne et le FC Valence après un Euro 2004 vécu du banc. Sa première saison est satisfaisante (11 buts en 29 matchs) mais la deuxième est un cauchemar. Pratiquement mis à la porte, Di Vaio rejoint l'AS Monaco en prêt. En Principauté, il est associé soit à Javier Ernesto Chevanton, soit à Christian Vieri et démontre pleinement ses qualités de buteur et une intelligence de jeu rare. Malheureusement ses performances ne lui valent pas de participer à al Coupe du Monde 2006. Il voit donc de loin son pays être sacré. Sa déception ravalée, il fait le forcing durant l'été pour que Valence le libère de son contrat. Une fois cette demande acceptée, il rejoint gratuitement et définitivement le club monégasque. Malheureusement, son début de saison est catastrophique à l'image de celui de son club. En crise de confiance, l'international italien marque seulement 3 buts en 14 matches de championnat lors de la première partie de saison, le coach se mettant à de plus en plus aligner Jan Koller ou Jérémy Menez. A partir de janvier, Marco va tenter de relancer sa carrière en aterrissant à Genoa, équipe évoluant en Serie B. Il va tout à fait remplir sa mission puisque son équipe va grimper en Serie A (en compagnie de Naples et la Juventus de Turin) grâce notamment à ses 9 buts.