In de zomer van 2009 mocht Chiellini met Italië meedoen aan de Confederations Cup. Italië werd uitgeschakeld in de groepsfase, maar Chiellini miste geen minuut. Weer een jaar later selecteerde Marcello Lippi de verdediger voor het WK 2010. Het lukte Italië niet om de wereldbeker te verdedigen en ze werden uitgeschakeld in de groepsfase zonder een duel te winnen. Opnieuw miste Chiellini geen minuut. Chiellini nam met Italië eveneens deel aan het Europees kampioenschap voetbal 2012 in Polen en Oekraïne, waar de ploeg van bondscoach Cesare Prandelli de finale bereikte. Daarin verloor de "La Squadra Azzurra" met 4–0 van titelverdediger Spanje. Chiellini viel in de finale in de 21ste minuut uit wegens een blessure en moest zijn plaats afstaan aan Federico Balzaretti.