Romagnoli đã thi đấu cho tuyển Ý ở nhiều cấp độ trẻ. Anh đã có lần xuất hiện đầu tiên của mình cho đội U21 của Ý trước Bắc Ireland vào ngày 5 tháng 3 năm 2014, chơi hết 90 phút. Với U21 Ý, anh đã tham dự Giải vô địch U21 châu Âu năm 2015. Anh đã hình thành lối chơi phối hợp hiệu quả với Daniele Rugani ở vị trí trung vệ.

Romagnoli được cho là sẽ được gọi vào đội hình tuyển Ý tham dự Euro 2016 sau một mùa giải đầu tiên xuất sắc với Milan, nhưng cuối cùng anh thậm chí còn không được gọi vào đội hình sơ bộ.

Vào ngày 27 tháng 8, Romagnoli đã được gọi vào đội tuyển lần đầu tiên cho một trận giao hữu với Pháp vào ngày 1 tháng 9 và một trận đấu vòng loại World Cup 2018 vào ngày 5 tháng 9 gặp Israel. Tuy nhiên, sau đó anh đã chuyển đến đội U21 cho vòng loại U21 châu Âu UEFA gặp Serbia.

Vào ngày 6 tháng 10, Romagnoli đã có trận ra mắt trận vòng loại World Cup 2018, anh chơi hết 90 phút trong trận hòa 1-1 với Tây Ban Nha.