Pietrangelo byl nominován do reprezentace Kanady na Memoriálu Ivana Hlinky 2007, kde působil v roli asistenta kapitána a s týmem Kanady skončil na 4. místě. Další akci, na které se představil v kanadském národním týmu, bylo Mistrovství světa juniorů 2009, ne kterém získali zlaté medaile. V následujícím roce dostal povolení od týmu St. Louis Blues startovat na Mistrovství světa juniorů 2010, kde plnil úlohu asistenta kapitána Patrice Cormiera. Na konci turnaje si převzal několik individuálních ocenění. Za kanadskou reprezentaci dospělých debutoval na Mistrovství světa 2011 na Slovensku, kde s týmem Kanady vypadli ve čtvrtfinále s Ruskem a Pietrangelo byl posléze vyhlášen nejlepším obráncem turnaje.