De Agostini debuterade i landslaget i maj 1987 borta mot Norge. Det första landslagsmålet kom i december samma år i 3-0-segern hemma mot Portugal. De Agostini representerade Italien vid både EM 1988 och VM 1990. I båda turneringarna spelade han samtliga matcher. Han gjorde sin sista landskamp i september 1991 mot Bulgarien. Totalt spelade De Agostini 36 landskamper och gjorde fyra mål.