W reprezentacji Argentyny U-20 występował na Młodzieżowych Mistrzostwach Świata 1997 w Malezji, gdzie zdobył wraz z kadrą tytuł mistrzowski po finale z Urugwajem. W kolejnych Młodzieżowych Mistrzostwach Świata rozgrywanych w 1999 był kapitanem zespołu. W pierwszej drużynie seniorów zadebiutował 20 grudnia 2000 roku w meczu przeciwko Meksykowi, wygranym 2:0. Wystąpił razem z reprezentacją Argentyna na Copa America 2004 z którego wrócił ze srebrnym medalem. W 2005 zapisał na swoim koncie srebrny medal Pucharu Konfederacji w Niemczech. W 2006 znalazł się w kadrze Jose Pekermana na Mistrzostwa Świata, na których zdobył bramkę w drugim meczu grupowym przeciwko Serbii i Czarnogórze, wygranym 6:0. Akcja po której padła bramka przeszła do historii, gdyż "Albicelestes" wymienili w jej trakcie 24 podania. Udział "Cuchu" dobiegł końca po ćwierćfinałowym meczu z Niemcami, który zakończył się konkursem rzutów karnych w którym Cambiasso nie strzelił ostatniej jedenastki. Za kadencji Diega Maradony został powołany zaledwie jeden raz - na mecz z Hiszpanią (14 listopada 2009). 12 maja 2010 selekcjoner ogłosił skład kadry na Mistrzostwa Świata w RPA w którym zabrakło "Cuchu", co spowodowało liczne kontrowersje. Po mundialu powrócił do kadry. Do czasu rozegranego 7 lipca 2011 r. meczu z Kolumbią rozegrał dla "Albicelestes" 52 spotkania i strzelił 5 bramek.