A pesar de una decepcionante campaña en la Copa del Mundo, inició la temporada como primera elección bajo la dirección técnica de Luigi Delneri. En el mes de septiembre disputó su partido número 100 con la camiseta "bianconera" en la victoria por 4-0 sobre el Udinese Calcio. El 17 de mayo de 2011, la Juventus anunció que Marchisio había firmado un nuevo y mejorado contrato por cinco años. Comenzó la temporada 2011-12 con un gol en el partido inaugural ante el Parma F. C., y anotó un doblete en la victoria por 2-0 ante el A. C. Milan.