Le , il fait partie des 23 joueurs convoqués par Raymond Domenech pour disputer la Coupe du monde 2010 en Afrique du Sud. Auteur de prestations convaincantes lors des trois matchs de préparation, le sélectionneur décide de le titulariser pour le premier match contre l'Uruguay (0-0). Il en sera de même face au Mexique et l'Afrique du Sud. Alors que l'équipe de France est éliminée au premier tour et subit une crise interne, Abou Diaby est l'une des rares satisfactions de ce Mondial côté français. À la rentrée, il est rappelé par le nouveau sélectionneur Laurent Blanc et débute la campagne de qualification pour l'Euro 2012 avec les "Bleus". Cependant, ces nombreuses blessures lui font manquer la fin des éliminatoires et le championnat d'Europe disputé en Pologne et en Ukraine.