Estreou pela Seleção Italiana principal em 8 de março de 2005 em partida amistosa contra a Sérvia e Montenegro. Durante a partida contra a Uruguai pelo Grupo D da Copa do Mundo de 2014 sofreu uma mordida de Luis Suárez. O árbitro da partida Marco Rodríguez não viu o lance e não relatou na súmula. No entanto, com base nas imagens da partida, a FIFA suspendeu Suárez por quatro meses. Chiellini opinou que a punição foi excessiva e confessou que exagerou na reação a mordida.Em 13 de novembro de 2017, após empate com a Suécia, deixando a Itália fora da Copa de 2018, anunciou sua aposentadoria da seleção. Em agosto 2020 ele é convocado novamente para a seleção, depois de mais de um ano de ausência. Chiellini foi um dos 26 convocados pelo técnico Roberto Mancini para a disputa da Eurocopa 2020.