Walter Gargano gab sein Debüt in der Nationalmannschaft Uruguays am 30. Mai 2006 im Freundschaftsspiel gegen Libyen. Er nahm an der Copa América 2007 teil, wo er mit Uruguay den vierten Platz erreichte und schaffte mit dem Team die Qualifikation für die Weltmeisterschaft 2010 in Südafrika. Für dieses Turnier wurde er dann auch von Óscar Tabárez ins Aufgebot Uruguays berufen. Bei der Weltmeisterschaft erreichte Gargano mit Uruguay den vierten Platz, wobei er dreimal eingesetzt wurde. Im Jahr 2011 gewann Gargano mit seiner Nationalmannschaft die Copa América, er selbst stand dabei zweimal auf dem Platz. Auch beim FIFA-Konföderationen-Pokal 2013 wirkte er mit. Bei der Weltmeisterschaft 2014 in Brasilien gehörte er erneut dem Aufgebot Uruguays an.