Nel 2006 debutta nella Nazionale italiana, con cui partecipa ai Mondiali di Giappone 2006. Nella prima partita contro la Cina totalizza 6 punti, contro la Slovenia 26 e contro gli USA 25, compresa una schiacciata in contropiede, subendo fallo da Carmelo Anthony; tuttavia ritrovarsi avanti di 12 con quell'azione (nella quale Belinelli segna il libero supplementare) non sarà sufficiente all'Italia per battere le stelle della NBA. Alla fine del torneo (in cui l'Italia viene eliminata agli ottavi di finale) è il migliore realizzatore della propria squadra con 13,5 punti a partita.