Ispirato al celebre fumetto creato nei primi anni '60 dalle sorelle milanesi Angela e Luciana Giussani, il film riprende in particolare tre storie apparse in edicola tra il 1963 e il 1965: Sepolto vivo, Lotta disperata, L'ombra della notte. Proprio per rimanere fedele allo spirito del fumetto, Bava avrebbe voluto fare un film molto più violento ed efferato, ma il produttore De Laurentis lo convinse ad edulcorare un po' i toni per paura della censura. Bava rinuncia quindi alle originarie atmosfere cupe e noir per una rivisitazione coloratissima e visionaria in chiave pop e psichedelica, con riferimenti alla cultura underground dell'epoca, una generosa dose di erotismo e soprattutto di ironia (nel fumetto praticamente assente).
Per interpretare il personaggio di Diabolik, De Laurentiis scrittura John Phillip Law che in quel periodo stava girando contemporaneamente Barbarella di Roger Vadim, sempre prodotto da lui. Inizialmente la parte Eva Kant, la bellissima compagna di Diabolik, doveva essere di Catherine Deneuve, ma la diva francese non voleva girare scene di nudo e a Bava non piaceva del tutto. Fu sostituita quindi dall'austriaca Marisa Mell. Nel cast anche Michel Piccoli (doppiato da Gigi Proietti) nei panni dell'ispettore Ginko e Adolfo Celi in quelli del boss Ralph Valmont, personaggio assente nel fumetto e creato quindi appositamente per la trasposizione cinematografica.
Bava conferma la sua predilezione per le location castellane (due anni prima Villa Grazioli era stata il set di Operazione paura e Villa Parisi lo sarà , qualche anno dopo, per Il rosso segno della follia e Reazione a catena) e anche in questa superproduzione (per il film ebbe a disposizione il più alto budget della sua carriera, anche se si vanterà con orgoglio di averne utilizzato una minima parte), realizza una lunga sequenza d'azione nel nostro territorio. A Castel Gandolfo in via Spiaggia del Lago si girano infatti gli esterni di una delle scene finali del film: Eva Kant vestita in sexy short simula di avere la Jacquar in panne e ferma un camionista (interpretato da Carlo Crocco). Questi, distratto dal fascino della bella bionda, non si accorge che Diabolik sale a bordo del suo camion, lanciandolo a tutta velocità verso il posto di blocco della polizia. Con questo stratagemma Diabolik ed Eva riusciranno a farsi beffe della polizia e a fuggire indisturbati.
Rivedendolo oggi è sopratutto l'aspetto stilistico e figurativo del film a colpire e che consente di sorvolare su una trama risibile, sul qualunquismo di alcuni passaggi e sull'inespressività dei protagonisti principali (forse in questo caso un po' voluta dal momento che si tratta comunque di personaggi fumettistici). Una delle invenzioni scenografiche più straordinarie è certamente il rifugio segreto di Diabolik, ipertecnologico e avveniristico, con alcuni accessori cult come il letto girevole e il box doccia semitrasparente. In realtà Bava aveva fatto realizzare poche scenografie specifiche per il set. Molto di ciò che si vede sullo schermo è frutto infatti della straordinaria abilità del regista nell'inserire i dettagli scenici attraverso fondali, miniature, modellini ma sopratutto sagome e mascherini applicati spesso direttamente sull'obiettivo della macchina da presa, secondo un procedimento nel quale Bava era un fenomeno. Il risultato sullo schermo è davvero strabiliante (lo stesso De Laurentiis rimase sbalordito tanto da dichiarare: «Dirò alla Paramount che questo set ci è costato 200.000 dollari!»); ancora oggi. Bellissime, come al solito, le musiche di Ennio Morricone.
Contro ogni previsione, Diabolik si rilevò al botteghino un mezzo flop e in Italia non fu apprezzato neanche dalla critica. All'estero invece fu particolarmente gradito, soprattutto in Francia, e nel corso degli anni è diventato un cult movie.
Nel 2004 il figlio di Mario Bava, Lamberto, realizzò un omaggio al film del padre con il videoclip dei Tiromancino Amore impossibile, dove Diabolik era interpretato da Daniel McVicar ed Eva Kant da Claudia Gerini; cammeo di John Phillip Law nei panni di una guardia giurata.