Bei der Fußball-Weltmeisterschaft 2006 in Deutschland wurde Gianluca Zambrotta mit Italien Fußball-Weltmeister. Im Viertelfinalspiel gegen die Ukraine erzielte er ein Tor und gab eine Torvorlage. Aufgrund seiner ausgezeichneten Leistungen wurde der Italiener ins All-Star-Team des Turniers gewählt. Im gleichen Jahr wurde er außerdem für das UEFA Team of the Year und für die FIFPro World XI nominiert. Zambrotta nahm mit Italien am FIFA-Konföderationen-Pokal 2009 teil, bei dem Italien in der Vorrunde ausschied. Auch bei der Fußball-Weltmeisterschaft 2010 in Südafrika kam das Aus in der Vorrunde. Bei beiden Turnieren wurde Zambrotta in allen Vorrundenspielen eingesetzt. Nach dem frühen Ausscheiden Italiens bei der WM kam er noch einmal am 12. Oktober 2010 im EM-Qualifikationsspiel gegen Serbien zum Einsatz, das nach sechs Minuten wegen Ausschreitungen serbischer Zuschauer abgebrochen wurde.