Para la Copa Mundial de Fútbol 2010, Grosso fue llamado a los entrenamientos previos por el técnico Marcello Lippi junto a sus compañeros Gianluigi Buffon, Giorgio Chiellini, Fabio Cannavaro, Nicola Legrottaglie, Mauro Camoranesi, Antonio Candreva, Claudio Marchisio y Vincenzo Iaquinta el 4 y 5 de mayo, además de ser incluido en la pre-nómina de 30 jugadores anunciada el 11 de mayo para el Mundial a disputarse en Sudáfrica.