Aux Jeux Olympiques en 1964, il remporta la médaille d'argent du plongeon de haut vol avant de s'attribuer l'or dans la même épreuve au cours des trois éditions suivantes des Jeux (1968, 1972, 1976).
Dibiasi est le seul plongeur olympique à avoir remporté trois médailles d'or successives et il est le seul également à avoir obtenu des médailles à quatre Jeux. Une médaille d'argent au tremplin en 1968 lui donna un nombre total record de cinq médailles olympiques. Plus tard, il entraîna lui-même l'équipe italienne de plongeon.