Di tingkat internasional, Marchisio mewakili Italia di Olimpiade Musim Panas 2008, dan di Piala Dunia FIFA 2010 dan 2014; ia juga ambil bagian pada Kejuaraan Eropa UEFA 2012, menjadi runner-up pada saat itu, dan turut serta pada Piala Konfederasi FIFA 2013, di mana ia mendapatkan medali perunggu. Secara total, ia membuat 55 penampilan untuk Italia di level senior antara 2009 hingga 2017, dan mencetak lima gol.