Является воспитанником клубной школы «Лацио» наряду с Алессандро Нестой, Флавио Ромой и прочими. Марко стал по-настоящему известным футболистом в «Парме», из которой начал вызываться в сборную Италии. Участвовал в отборочных матчах ЧМ-2002. После чемпионата мира перешел в «Ювентус», где он провел два года за спиной Алессандро Дель Пьеро и Давида Трезеге. Летом 2004 года его пригласил в «Валенсию» Клаудио Раньери, который был намерен итальянизировать команду с помощью Марко, Бернардо Корради, Стефано Фьоре и Эмилиано Моретти.
Полтора года пребывания в «Валенсии» были не особо удачными, и несмотря на предложения вернуться в Италию, зимой 2006 года он подписал арендное соглашение с «Монако». За полгода он забил 5 голов и летом подписал полноценный контракт с монегасками. Впрочем, там он пробыл еще полгода (3 гола) и все-таки вернулся на родину в «Дженоа», тогда еще — команду серии В.
Ди Вайо после непростой адаптации забил более десяти мячей, чем помог генуэзцам вернуться в элиту итальянского футбола. К сожалению, в серии А Ди Вайо вытеснил арендованный из «Милана» Марко Боррьелло, ставший одним из лучших бомбардиров чемпионата. Зимой ходили слухи об интересе родного клуба Марко — «Лацио», но сделка не состоялась.
В первом сезоне за «Болонью» стал лучшим бомбардиром клуба с 24 мячами в Серии А, а также поделил второе место с Диего Милито в споре бомбардиров чемпионата, пропустив вперед Златана Ибрагимовича с 25 мячами. Летом 2009 года продлил контракт с «Болоньей» до 2011 года.