Castrovilli có lần đầu khoác áo đội tuyển quốc gia Ý dưới thời huấn luyện viên Roberto Mancini, vào ngày 15 tháng 11 năm 2019, vào sân từ ghế dự bị thay cho Lorenzo Insigne trong chiến thắng 3-0 trên sân khách trước Bosna và Hercegovina, tại vòng loại Euro 2020. Sau chấn thương của Lorenzo Pellegrini, vào tháng 6 năm 2021 anh được Mancini triệu tập lên đội tuyển Ý tham dự Giải vô địch bóng đá châu Âu 2020.