Изгнанный из Синопы Диоген прибыл в Афины вместе со своим рабом по имени Манес, которого он вскоре отпустил. Дату приезда точно установить невозможно. Может быть, это произошло в 390—385 гг. до н. э. В Афинах Диоген познакомился с Антисфеном и стал его учеником. Принципы кинизма Диоген претворял в жизнь с неукоснительной последовательностью, в чём даже превзошёл своего учителя, которого называл «трубой, не слышащей собственного звука» (Дион Хрис., VIII, 275), ибо считал, что тот отступает иногда от собственных правил. Своим крайним аскетизмом и эксцентричными выходками Диоген превзошёл всех известных мудрецов и получил прозвище «безумствующего Сократа» (Диог. Лаэрт., VI, 54). Он пользовался огромной популярностью в Греции, и его звали просто cyon (собака).
Жизнь сталкивала Диогена со многими прославленными людьми его времени — Платоном, Аристиппом, Демосфеном, Филиппом, Александром, Евклидом и др. Не все подробности этих встреч достоверны, иной раз они обязаны легенде, творимой о Диогене киниками и стоиками. Во всех этих встречах Диоген демонстрирует своё духовное превосходство и мужество. Беднякам и бесправным, конечно, импонировали рассказы, где нищий мудрец остроумно и зло высмеивал власть и богатство. Диоген, как и Антисфен, критиковал Платона и его учение. У Платона он ценил только «золотой язык» его диалогов.
После долгого пребывания в Афинах Диоген странствовал по Элладе как бродячий проповедник. В одном из плаваний он попал в руки пиратов и был продан в рабство богатому коринфянину Ксениаду, который сделал его наставником своих детей (Диог. Лаэрт., VI, 30—31). В Коринфе произошла знаменитая встреча Диогена и Александра Македонского. Изложенный период биографии Диогена также нельзя считать безоговорочно достоверным. Предполагают, что весь эпизод продажи в рабство сочинён в III в. до н. э. киником Мениппом для того, чтобы продемонстрировать величие духа и внутреннюю свободу Диогена в экстремальных ситуациях. Этот эпизод составил содержание сочинения Мениппа «Продажа Диогена» («Diogenous prasis»). Однако у нас нет достаточных оснований довериться гиперкритике и исключить из жизни Диогена такие события, как его продажа в рабство, пребывание в Коринфе, воспитание сыновей Ксениада, встреча с Александром Македонским, несмотря на всю анекдотичность и противоречивость этих рассказов.
Умер Диоген в глубокой старости. О месте и обстоятельствах его смерти трудно сказать что-либо определённое. Слишком большое разнообразие деталей смерти философа, передаваемых традицией, внушает мысль, что он умер просто от старости, забытый всеми. Диоген Лаэртский рассказывает, что умер он девяностолетним стариком в Коринфе и был похоронен у Истмийских ворот, где жители поставили ему памятник из паросского мрамора, представляющий колонну, на вершине которой стояла фигура собаки (VI, 76). Этот памятник «Собаки» видел ещё Павсаний во II в. н. э. (Описание Эллады, II, 2, 4).
Предание создало из Диогена образ идеального киника. В характере его немало противоречивого. Он изображается то терпеливым воспитателем и общительным человеком, то одиноким и неуживчивым, от которого сбежал раб. Большая часть биографии Диогена Синопского у Диогена Лаэртского посвящена описанию аскетических причуд философа, вроде обнимания статуй зимой и зарывания в горячий песок летом (VI, 23—34), его крепким остротам и метким словам. Тем не менее в линии поведения Диогена можно обнаружить настойчивую и продуманную тенденцию — осознанное стремление эпатировать афинское мещанство, показать на своём примере, как нужно презирать все общепризнанные ценности. Бунт Диогена, его свободомыслие и презрение к условностям не только создавали почву для возникновения анекдотов и легенд, но и рождали друзей и врагов. Не зря Дион Хрисостом писал о Диогене: «Некоторые восхищались им как мудрейшим человеком на свете, другие называли его безумцем» (IX, 8). Наиболее распространенными жанрами «апокрифической» литературы о Диогене были так называемые хрии и апофтегмы, коротко рассказывающие об удивительных поступках и примечательных высказываниях мудреца. Киник Метрокл подготовил целый сборник хрий о Диогене (Диог. Лаэрт., VI, 41). К числу наиболее популярных рассказов о Диогене принадлежат истории, как он жил в огромном глиняном пифосе, встречался с Александром, искал днём с фонарём «честного человека», обходился без посуды и др. Все эти эпизоды наглядно демонстрировали и пропагандировали лозунги кинической философии.