El equipo alemán sumó su decimosexta victoria consecutiva en todas las competiciones, incluyendo cuatro de cuatro en la Liga de Campeones, para liderar la tabla de la fase de grupos.
Díaz tuvo una noche irregular, anotando dos goles para poner al Bayern en control del partido antes de ser expulsado justo antes del descanso tras una entrada temeraria por detrás sobre Achraf Hakimi.
El lateral marroquí estaba llorando mientras lo ayudaban a salir del campo con una lesión de tobillo de aspecto grave, en el marco del torneo AFCON celebrado en su país en diciembre.
Hakimi abandonó el estadio con muletas y una bota ortopédica, y el capitán del PSG, Marquinhos, declaró: «Tenemos que esperar a los resultados de las pruebas; ya le han hecho algunas pruebas menores».
En una primera parte caótica en el Parc des Princes, el equipo de Vincent Kompany mostró valentía y voluntad de presionar arriba, lo que dio sus frutos cuando Díaz marcó el primer gol en el minuto cuatro.
Ousmane Dembélé pensó que había empatado a mitad del primer tiempo con el primer disparo del PSG en el partido, cuando controló el balón con el pecho a corta distancia, pero su gol fue anulado por fuera de juego.
El ganador del Balón de Oro abandonó el terreno de juego instantes después con lo que parecía ser una lesión en la pantorrilla.
El Bayern continuó creando problemas a los locales y tuvo muy mala suerte cuando el disparo de Serge Gnabry se estrelló contra un poste y luego contra el otro.
Pero Díaz marcó su segundo gol en el minuto 32 después de robarle el balón a un despistado Marquinhos y definir con frialdad.
El extremo colombiano, sin embargo, fue expulsado justo antes del descanso por su entrada sobre Hakimi. La tarjeta amarilla se convirtió en roja tras la revisión del VAR, lo que provocó que el marroquí se mostrara visiblemente molesto.
El PSG lo intentó todo contra el Bayern en la segunda mitad, pero constantemente se topó con un muro y parecía que no iba a encontrar la manera de remontar el encuentro.
Pero a falta de 16 minutos, el suplente Joao Neves robó medio metro de espacio para marcar un golazo de chilena que superó a Manuel Neuer.
Ese esfuerzo reavivó al PSG y Neuer se enfrentó a una lluvia de disparos en los minutos finales, realizando varias paradas destacadas para negar los goles a Neves, Warren Zaire-Emery y Vitinha, mientras que los vigentes campeones sufrieron su primera derrota en la competición de esta temporada.
El próximo partido del PSG será contra el Tottenham el miércoles 26 de noviembre (20:00 GMT), mientras que el Bayern visitará al Arsenal, que también ha ganado sus cuatro partidos, la misma noche (20:00 GMT).