Mellberg pelasi Ruotsin maajoukkueessa 117 ottelua vuosina 2000–2012 ja teki niissä kahdeksan maalia. Hän on edustanut Ruotsia EM-kisoissa vuosina 2000 ja 2004 sekä MM-kisoissa vuosina 2002 ja 2006. Mellberg on toiminut myös Ruotsin kapteenina, mutta hän luopui tehtävästä vuoden 2006 MM-kisojen jälkeen.