Di Natale đã có trận ra mắt với đội tuyển quốc gia Ý ngày 20 tháng 11 năm 2002, trong một trận đấu giao hữu với Thổ Nhĩ Kỳ. Đến ngày 18 tháng 2 năm 2004 ghi bàn thắng đầu tiên của mình cho đội tuyển quốc gia. trong một trận đấu giao hữu với Cộng hòa Séc, một trận đấu kết thúc với tỷ số 2-2.[21]

Năm 2008, anh được gọi tham dự Euro. Italia đã không thể lọt vào bán kết sau khi thua 4-2 trước Tây Ban Nha.Anh đã bỏ lỡ Cúp Liên đoàn các châu lục 2090 vì chấn thương đầu gối, xảy ra vào ngày 28 tháng 3 năm 2009 trong một trận đấu giao hữu quốc tế với Montenegro.[22]. Năm 2010, anh tiếp tục có tên trong danh sách đội hình tham dự World Cup 2010 tại Nam Phi. Tuy nhiên, đội tuyển Ý đã thi đấu không thành công và bị loại khỏi vòng bảng với chỉ 1 điểm, hòa 2 trận và thua 1 trận, xếp bét bảng, ghi được 4 bàn và lọt lưới 5 bàn, trong đó ở lượt trận cuối, anh chỉ ghi được một bàn thắng trong trận thua Slovakia với tỉ số sát nút 2-3. Giải đấu cuối cùng trong sự nghiệp thi đấu của anh là vòng chung kết Euro 2012, giải đấu mà anh và các đồng đội đã lọt vào đến trận chung kết và chỉ chịu thua Tây Ban Nha với tỉ số đậm 0-4. Sau giải đấu này, Di Natale tuyên bố giã từ đội tuyển quốc gia Ý sau 10 năm gắn bó, tổng cộng anh đã 42 lần khoác áo đội tuyển quốc gia và ghi được 11 bàn thắng.