Castrovilli fez sua estreia pela Itália sob o comando do técnico Roberto Mancini, em 15 de novembro de 2019, entrando como substituto tardio de Lorenzo Insigne na vitória por 3 a 0 fora de casa sobre a Bósnia e Herzegovina, nas eliminatórias para o Euro 2020 . Após a lesão de Lorenzo Pellegrini, ele foi convocado em junho de 2021 por Mancini para a convocação da Itália para a Euro 2020.