Ο Μιλίτο έκανε το ντεμπούτο του με την Εθνική Αργεντινής στις 31 Ιανουαρίου 2003, με αντίπαλο την Εθνική Ονδούρας, ενώ σκόραρε και το πρώτο του γκολ. Σκόραρε το δεύτερο και τρίτο γκολ στις 16 Ιουλίου 2003 με αντίπαλο την Ουρουγουάη. Παρ' όλο τις καλές εμφανίσεις που έκανε, δεν ήταν βασικός και εμφανιζόταν σπάνια και δεν συμπεριλαμβανόταν στην αποστολή της Αργεντινής για το Μουντιάλ 2006.. Παρ' όλα αυτά, αγωνίστηκε στο Κόπα Αμέρικα 2007, όπου σκόραρε και ένα γκολ με αντίπαλο την Εθνική Κολομβίας.