Balotelli wees twee selecties voor het Ghanees voetbalelftal af en debuteerde op 10 augustus 2010 in het Italiaanse nationale team, in de met 1-0 verloren vriendschappelijke interland tegen Ivoorkust, net als Marco Motta (Juventus), Cristian Molinaro (VfB Stuttgart), Salvatore Sirigu (Città di Palermo) en Amauri (Juventus) voor Italië. Op 11 november 2011 maakte hij zijn eerste doelpunt voor Italië, in een oefeninterland tegen Polen, die op 2-0 eindigde. Hij werd door bondscoach Cesare Prandelli ook opgenomen in de Italiaanse selectie voor Euro 2012. In de groepswedstrijden tegen Spanje en Kroatië startte Balotelli in de basis, maar telkens werd hij - zonder gescoord te hebben - vervangen door Antonio Di Natale. In de wedstrijd daarop, tegen Ierland, wist Balotelli wel te scoren. Ook in de gewonnen kwartfinale tegen Engeland wist hij zijn kansen niet om te zetten in een doelpunt. Nadat deze wedstrijd ook na verlenging in een doelpuntloos gelijkspel beëindigd was, scoorde hij wel in de strafschoppenserie door doelman Joe Hart in de linkeronderhoek te verslaan. In de halve finale tegen Duitsland op 28 juni 2012 maakte hij twee doelpunten. In de finale verloor "La Squadra Azzurra" met 4-0 van titelverdediger Spanje.