Marchisio nam met het Italiaans olympisch voetbalelftal deel aan de Olympische Spelen van 2008 in Beijing. Daar werd de ploeg onder leiding van bondscoach en oud-international Pierluigi Casiraghi uitgeschakeld door België in de kwartfinales: 3–2. In augustus 2009 werd Marchisio voor het eerst opgeroepen voor de A-selectie door bondscoach Marcello Lippi voor de wedstrijd tegen Zwitserland. Hij maakte tijdens dit oefenduel op 12 augustus zijn debuut voor Italië. Marchisio speelde de eerste 73 minuten, waarna Fabio Grosso hem verving. Marchisio nam met Italië deel aan het Europees kampioenschap voetbal 2012 in Polen en Oekraïne, waar de ploeg van bondscoach Cesare Prandelli de finale bereikte. Daarin verloor "La Squadra Azzurra" met 4–0 van titelverdediger Spanje. Op het toernooi speelde Marchisio alle wedstrijden; hij miste geen minuut speeltijd.