Džemaili maakte op 1 maart 2006 onder leiding van bondscoach Jakob Kuhn zijn debuut in het Zwitsers voetbalelftal, in een oefeninterland uit tegen Schotland (1–3), net als Fabio Coltorti en Johan Djourou. Džemaili viel in dat duel na 81 minuten in voor aanvoerder Johann Vogel. Hij nam met Zwitserland deel aan het wereldkampioenschap 2006 in Duitsland. In mei 2014 werd Džemaili door bondscoach Ottmar Hitzfeld ook opgenomen in de selectie voor het wereldkampioenschap 2014 in Brazilië. Twee jaar later werd hij eveneens geselecteerd voor deelname aan het Europees kampioenschap 2016. Zwitserland werd na strafschoppen uitgeschakeld in de achtste finale door Polen (1–1, 4–5).