Диметродоны питались любыми животными, которых могли одолеть. В 2008 году команда Р. Бэккера обнаружила чёткие признаки того, что диметродоны поедали пресноводных акул — ксенакантид. Также в рацион диметродона могли входить амфибии, например диплокаулы. Кроме того, часть рациона могли составлять казеиды, эдафозавры или диадекты.