Doté de la double nationalité (grâce à son grand-père, Italien immigré en Argentine au ), Camoranesi tape naturellement dans l'œil du sélectionneur italien Giovanni Trapattoni à la suite de ses performances sous les maillots de l'Hellas Vérone et de la Juventus. Il fait ses premiers pas avec le maillot de la Squadra Azzurra le lors d'un match amical disputé contre le Portugal (victoire 1-0 des Italiens). Le natif de Tandil n'est pas le premier joueur venant d'Argentine à endosser la tunique italienne puisqu'avant lui Omar Sivori en 1961 avait fait de même. Camoranesi fait partie du groupe italien lors du Championnat d'Europe de football 2004 (où il ne joue que 76 minutes) et surtout lors la Coupe du monde de football de 2006 où la Squadra Azzurra devient championne du monde. Membre important de l'équipe, il joue six matches lors de la compétition dont cinq comme titulaire.