W sezonie 2003/2004 Barzagli grał w Reprezentacji Narodowej U-21, w której rozegrał 15 meczów nie strzelając bramki. Rok później wybił się do kadry seniorskiej. Zadebiutował w niej 17 października 2004 w meczu przeciwko Finlandii. Grał w Mistrzostwach Świata w Niemczech wywalczając z zespołem złoto. Wraz z reprezentacją Włoch na Mistrzostwach Europy w 2012 r. zajął drugie miejsce. 13 listopada 2017 roku po tym, jak reprezentacja Włoch nie zdołała zakwalifikować się na MŚ 2018, zakończył karierę w reprezentacji.