Senderos ra mắt Đội tuyển bóng đá quốc gia Thụy Sĩ từ năm 2005, có 57 trận và ghi 5 bàn. Anh cùng đội tuyển Thụy Sĩ dự ba Giải vô địch bóng đá thế giới cũng như Giải vô địch bóng đá châu Âu 2008.