Aus seiner Zeit bei Hannover 96 ist Mame Diouf in der Bundesliga noch bestens bekannt. Von 2012 bis 2014 stürmte er zweieinhalb Jahre lang erfolgreich für die Niedersachsen. In 71 Pflichtspielen erzielte Diouf 35 Tore und bereitete 16 weitere Treffer vor. Im Europa League Viertelfinale gegen Atlético Madrid erzielte er im Frühjahr 2012 zwei Treffer, die allerdings nicht zum Weiterkommen ins Halbfinale (1-2; 1-2) ausreichten.

Seine längste Station hatte der Stürmer und Nationalspieler aus dem Senegal daraufhin in England, bei Stoke City. Sechs Jahre spielte Mame Diouf bei den Potters, die vier ersten davon in der Premier League. Nach dem Abstieg des Klubs 2018 im Championship weniger berücksichtigt, wechselte Diouf zur Saison 2020/21 in die türkische Süper Lig, zu Aufsteiger Hatayspor. Mit Aaron Boupendza bildete er in seiner ersten Saison ein kongeniales Duo: er selbst erzielte 19 Ligatreffer, Boupendza wurde mit 22 Toren gar Torschützenkönig. In der Folgesaison übernahm Diouf dann die Kapitänsbinde bei Hatayspor.