Philippe Senderos war Kapitän der U-17 Nationalmannschaft, die 2002 in Dänemark Europameister wurde, und 2005 Mannschaftskapitän bei der U-20 Weltmeisterschaft in den Niederlanden. Senderos spielt seit dem 26. März 2005 für die A-Nationalmannschaft der Schweiz. In der Nationalmannschaft hat er als Innenverteidiger schon mehrere Tore erzielt, so zum Beispiel am 23. Juni 2006 im Vorrundenspiel der Weltmeisterschaft 2006 das gegen Südkorea. Im selben Spiel kugelte Senderos sich die rechte Schulter aus, womit die Weltmeisterschaft für ihn vorzeitig beendet war. Bei der Europameisterschaft 2008 in Österreich und der Schweiz stand er erneut im Aufgebot der Schweiz und auch für die Weltmeisterschaft 2010 wurde er von Trainer Ottmar Hitzfeld ins Kader berufen. Als Mitglied der Stammelf wurde er im Eröffnungsspiel gegen Spanien eingesetzt, doch wie schon an der WM 2006, verletzte er sich sehr früh während des Turniers. In der 23. Minute erlitt er nach einem eigenen Tackling eine schwere Sprunggelenk-Verstauchung, was für ihn das Vorrunden-Aus bedeutet.