Ha estat internacional amb la selecció italiana en 50 ocasions.[4] Va debutar el 17 de novembre de 2004, en un partit amistós davant la selecció de Finlàndia que va finalitzar amb marcador d'1-0 a favor dels italians.[4] Barzagli va ser un dels jugadors que va guanyar la Copa Mundial de Futbol de 2006 amb Itàlia a Alemanya.
Quatre anys més tard, malgrat guanyar la Bundesliga amb el Wolfsburg, no va ser seleccionat per Marcello Lippi per al torneig a Sud-àfrica. El 13 de maig de 2014 l'entrenador de la selecció italiana, Cesare Prandelli, el va incloure a la nòmina preliminar de 30 jugadors convocats per a la Copa Mundial de Futbol de 2014.[5] Va ser confirmat en la llista definitiva de 23 jugadors l'1 de juny.[6]