במדי נבחרת איטליה דומנגיני היה שותף לזכייתה ביורו 1968 שנערך על אדמתה. במשחק הגמר הראשון כבש את שער השוויון במשחק נגד יוגוסלביה מבעיטה חופשית בדקה ה-80'. היה זה לשער הראשון של הנבחרת במסגרת היורו ובמשחק השני הם ניצחו אותם 0–2. בסיום הטורניר נבחר להיות בנבחרת המצטיינת. שנתיים לאחר מכן דומנגיני לקח חלק בהגעתה למקום השני במונדיאל 1970. הוא כבש את שער הניצחון ב-0–1 על שוודיה במשחק הראשון ומשם איטליה המשיכה עד לגמר בו נכנעה 4–1 לברזיל. דומנגיני בסך הכל ערך 33 הופעות במדים הלאומיים בהן כבש 7 שערים.