Diventato titolare nella gestione del CT Cesare Prandelli, prende parte al in Polonia e Ucraina in cui la nazionale italiana riesce ad arrivare all'atto conclusivo della manifestazione, dopo aver battuto in semifinale la , perdendo tuttavia per 4-0 la finale del 1º luglio contro la ; insieme a Gianluigi Buffon e ad Andrea Pirlo, Marchisio è sempre stato titolare senza mai venire sostituito.