W reprezentacji Włoch zadebiutował 3 marca 2010 w zremisowanym 0:0 towarzyskim meczu z Kamerunem. 1 czerwca 2010 Marcello Lippi powołał go do kadry na Mistrzostwa Świata w RPA. 2 dni później Bonucci strzelił honorowego gola dla Włochów w przegranym 1:2 spotkaniu przeciwko Meksykowi. Na mundialu Bonucci nie zagrał w żadnym ze spotkań. 3 września 2010 zdobył zwycięską bramkę w wygranym 2:1 pierwszym meczu eliminacji do Mistrzostw Europy 2012 z Estonią. Wraz z reprezentacją Włoch na ME w 2012 zajął drugie miejsce. Z kolei w 2021 roku grając na Mistrzostwach Europy w Piłce Nożnej 2020 zdobył wraz z reprezentacją Włoch złoty medal. W finale turnieju strzelił gola na 1:1.