Cesare Prandelli, die na het WK 2010 werd aangesteld als nieuwe bondscoach van Italië, nam Barzagli – inmiddels een basisspeler in het elftal van Juventus – in oktober 2011 weer op in de nationale selectie voor twee interlands in het kwalificatietoernooi voor het volgende Europees kampioenschap. In de eerste wedstrijd, in en tegen Servië (1–1), werd Barzagli in het basiselftal opgesteld met vijf ploeggenoten van Juventus, waaronder mede-verdedigers Chiellini en Bonucci en doelman Buffon. In november 2011 miste Barzagli twee vriendschappelijke interlands door een blessure, maar op 29 februari 2012 keerde hij terug en speelde hij de volledige oefenwedstrijd tegen de Verenigde Staten, die met 0–1 werd verloren door een doelpunt van Clint Dempsey. Op 29 mei 2012 nam Prandelli hem op in de 23-koppige selectie voor het Europees kampioenschap voetbal 2012 in Polen en Oekraïne. Barzagli miste de eerste twee groepswedstrijden van het toernooi door een kuitblessure, opgelopen in de laatste week voor de eerste wedstrijd tegen titelverdediger Spanje, maar werd door Prandelli ondanks zijn blessure bij de selectie gehouden. Davide Astori werd als eventuele vervanger opgeroepen, maar Barzagli herstelde voldoende om in het afsluitende groepsduel weer voldoende fit te zijn. Naast clubgenoot Bonucci speelde Barzagli de drie knock-outwedstrijden volledig, waaronder de finale, die met 0–4 werd verloren van Spanje. Na het EK behield hij zijn plek in het basiselftal en speelde mee in zes WK-kwalificatiewedstrijden in 2012 en 2013. Ook werd Barzagli opgenomen in de selectie voor de FIFA Confederations Cup 2013 in Brazilië, waar hij in drie wedstrijden in actie kwam. Italië verloor in de halve finale na strafschoppen van Spanje, waarna in de troostfinale Uruguay werd verslagen, wederom in een strafschoppenserie.