Основната й изследователска дейност обаче е свързана с Долината на тракийските царе, където работи от самото начало на разкопките, започнали под ръководството на д-р Георги Китов през 1992 г. От 2000 г. Диана Димитрова е заместник-ръководител на проучването на храмовете в Тракийски култов център Старосел, храм-гробница със стенописи в могила Рошава чука при село Александрово, Хасковско. Ръководител е и на разкопките на скално светилище Мегалита при село Бузовград, Казанлъшко, и на могилни некрополи в землищата на селата Крушаре, Речица, Трапоклово, Драгоданово, община Сливен.

Автор е на повече от 60 научни статии в областта на подмогилната архитектура, тракийските погребални обреди и практики през класическата, елинистическата и римската епохи.