Với đội tuyển bóng đá quốc gia Argentina, Milito tham gia Cúp Liên đoàn các châu lục 2005 và là một thành viên của đội tuyển ở World Cup 2006, thi đấu tốt trong lần xuất hiện duy nhất của mình, trận đấu vòng đầu tiên gặp đội tuyển bóng đá quốc gia Hà Lan, và đã kết thúc với kết quả hoà 0-0.