Gleich seine erste Filmrolle brachte August Diehl den Deutschen Filmpreis 2000 ein. Als passionierter Computer-Hacker und Verschwörungstheoretiker Karl Koch löste er in Hans-Christian Schmids Thriller "23" eine weltweite Spionage-Affäre aus. Für den Film wurde er zudem als bester Nachwuchsdarsteller mit dem Bayerischen Filmpreis ausgezeichnet.
Der 1976 in Berlin geborene Sohn des Schauspielers Hans Diehl sieht mit seinem blassen Äußeren und den verschatteten Augen wie ein romantischer Schöngeist aus und wirkte auch mit 25 Jahren noch knabenhaft. Dies kam seiner Rolle als der junge Hugo in Rainer Kaufmanns Ingrid-Noll-Verfilmung "Kalt ist der Abendhauch" zu Gute, wo er in der drei Generationen umspannenden Familien- und Liebesgeschichte die ältere Schwester der geliebten Charlotte heiratet. Diehls in den Gesten zurückhaltendes Spiel - von Kaufmann als ideal für psychologische "Schwebezustände" charakterisiert - leitete ihn auch als Fritz von Stein, Sohn von Goethes Geliebter Charlotte von Stein (Sybille Canonica) in Egon Günthers "Die Braut".
Diehl wurde an der Hochschule für Schauspielkunst Ernst Busch ausgebildet und trat in zahlreichen Inszenierungen des Maxim-Gorki-Theaters Berlin, an den Hamburger Kammerspielen, im Dortmunder Schauspielhaus und am Burgtheater Wien auf. 2000 gehörte er zu den 16 Schauspielern, die im Rahmen des Media-Programms der Europäischen Union als "European Shooting Stars" gefördert wurden. Entdeckt wurde er wie Franka Potente von Schmids Casting-Agentin Nessie Nesslauer. In dem Thriller "Tattoo", Debütfilm von Robert Schwedtke, spielt Diehl den jungen Kommissaranwärter Marc, der bei seinen Ermittlungen auf ein seltsames Detail stößt: Immer fehlen den Leichen bestimmte tätowierte Hautstücke.
Erneut für Schmid vor der Kamera stand Diehl als Teil des Ensembles von "Lichter", in dem die Schicksale verschiedener Menschen an der deutsch-polnischen Grenze verwoben werden. Einen kurzen, aber prägnanten Auftritt hatte Diehl in Stefan Ruzowitzkys Thriller "Anatomie 2" als dem Wahnsinn naher Verstümmelter, der zu Beginn des Films publikumswirksam Selbstmord begeht. Um Selbstmord drehte sich auch Achim von Börries' nach einem echten Geschehnis entstandener "Was nützt die Liebe in Gedanken", in dem zwei Abiturienten (Diehl und Daniel Brühl) in den 20er-Jahren auf der Suche nach Glück und Erfüllung sind - und dem richtigen Moment, das Leben zu beenden.
Im Anschluss wirkte Diehl an zwei Filmen mit, die sich mit dem Dritten Reich auseinandersetzen: In "Birkenau und Rosenfeld" spielte er den Enkel eines Nazis, der im ehemaligen Konzentrationslager Kontakt mit Überlebenden sucht und dabei auf eine zunächst verschlossene Reporterin (Anouk Aimée) trifft; in Volker Schlöndorffs "Der neunte Tag" war er der kultivierte SS-Mann Gebhardt, der sich ein Rede- und Gedankenduell mit dem Priester Kremer (Ulrich Matthes) liefert, der seinen Bischoff zur Kollaboration überreden soll. Auf klassischem Terrain bewegte sich Diehl in Leander Haußmanns Schiller-Verfilmung "Kabale und Liebe" als Ferdinand, dessen Liebe zu der jungen Luise (Paula Kalenberg) durch die feindlich gesinnte Umwelt zerstört wird.