Со сборной Италии до 21 года Гамберини участвовал в 2004 года в молодёжном чемпионате Европы, который итальянцы выиграли. В 2006 году Гамберини был вызван Марчело Липпи в первую сборную Италии, участвуя в тренировках перед чемпионатом мира. В августе того же года Роберто Донадони вызвал Гамберини на товарищеский матч с Хорватией, однако игрок на поле не вышел. 17 октября 2007 года состоялся дебют Гамберини в составе «Скуадры Адзурры» в товарищеском матче с ЮАР, завершившимся со счётом 2:0. 2 июня 2008 года, после травмы Фабио Каннаваро, Гамберини был срочно вызван в сборную Италии, уже находящуюся в Австрии, чтобы заменить капитана на чемпионате Европы, но на самом турнире Гамберини не играл.