Altobelli speelde 61 maal voor het Italiaanse elftal en scoorde daarin 25 maal. Onder leiding van bondscoach Enzo Bearzot maakte hij zijn debuut voor de "Squadra Azzurra" op 18 juni 1980 in de EK-wedstrijd in Rome tegen België (0-0). Hij viel in dat duel na 45 minuten in voor Gabriele Oriali. Zijn beroemdste doelpunt was de derde treffer in de WK-finale van 1982 tegen West-Duitsland, die met 3-1 werd gewonnen. Op het WK voetbal 1986 was Altobelli verantwoordelijk voor vier van de vijf doelpunten die Italië scoorde op het toernooi (de vijfde treffer was een Zuid-Koreaans eigen doelpunt). Op het EK voetbal 1988 beëindigde hij na acht jaar zijn interlandloopbaan.