W 1588 roku został mianowany szefem sztabu i głównym doradcą księcia Medina-Sidonia, dowódcy Wielkiej Armady. Dowodził, w randze admirała, eskadrą kastylijską, liczącą 16 okrętów; podczas walk, z polecenia króla Filipa, przebywał wraz z księciem Medina-Sidonia na pokładzie flagowego okrętu Armady „San Martin”Colin Martin, Geoffrey Parker, The Spanish Armada, Manchester University Press 2002, s. 11.. Mimo dużego doświadczenia na morzu Diego Flórez de Valdés był zwolennikiem taktyki defensywnej, całkowicie oddając inicjatywę przeciwnikowi.
Po powrocie z nieudanej wyprawy był jedynym wysokiej rangi dowódcą, który został ukarany przez króla Filipa i osadzony w więzieniu w Burgos. Jako powód podano złe rady udzielane księciu Medina-Sidonia, w szczególności decyzję o pozostawieniu własnemu losowi uszkodzonego okrętu flagowego eskadry andaluzyjskiej „Nuestra Señora del Rosario”Z punktu widzenia taktyki była to słuszna decyzja, która pozwoliła zachować szyk Armady i nie powodowała opóźnień w rejsie, z drugiej jednak strony na „Rosario” utracono znaczne sumy pieniędzy przewożone na wypłatę żołdu dla wojsk księcia Parmy;