Родился в Оберне, Нью-Йорк. ДиМайо играл на бас-гитаре во многих группах, короткое время играл вместе с Ронни Джеймсом Дио в группе Elf, работал звукоинженером и пиротехником у Black Sabbath во время их тура «Heaven and Hell».
Джои предпочитает бас-пикколо, поэтому стиль его исполнения напоминает игру на обычной электрогитаре, отличаясь от традиционной манеры игры на басу. ДеМайо известен демонстрацией своей техники быстрой игры на басу как во время записи в студии, так и на живых выступлениях. Он часто переигрывает фрагменты классических произведений, таких как «Полёт шмеля» Римского-Корсакова, которую ДиМайо переименовал в «Sting of the Bumblebee» (русск. Жало/укус шмеля), подчеркивая высокую скорость игры этого произведения.
ДиМайо занимается боевыми искусствами и тяжелой атлетикой, увлекается мотоциклами (участники группы Manowar часто катаются по сцене на Харлеях). ДиМайо настраивает свою бас-гитару на октаву выше.
В 2003, после создания студии записи Magic Circle Music, он стал менеджером итальянской пауэр-метал группы Rhapsody of Fire.