Vào ngày 2 tháng 3 năm 2014, anh nhận được cuộc gọi tới huấn luyện viên Cesare Prandelli của đội tuyển quốc gia Ý nhằm triệu tập anh chuẩn bị cho trận đấu với Tây Ban Nha ba ngày sau đó.[67] Anh vào sân thay thế cho Alessio Cerci ở phút thứ 69 phút, cuối cùng trận đấu kết thúc với chiến thắng 1-0 dành cho Tây Ban Nha.[68] Ngày 13 tháng 5 năm 2014, Immobile được điền tên trong đội hình sơ bộ 30 người chuẩn bị cho World Cup 2014,[69] và đến ngày 1 tháng 6, anh có mặt trong danh sách rút gọn cuối cùng của đội hình 23 người tham dự giải.[70] Vào ngày 8 tháng 6, anh lập một hat-trick trong trận đấu khởi động World Cup cuối cùng của Ý, chiến thắng 5-3 không chính thức trước câu lạc bộ Brazil Fluminense.[71] Immobile đã ra mắt thi đấu trong trận mở màn thắng 2–1 trước Anh tại Manaus vào ngày 14 tháng 6, anh được chơi 17 phút cuối khi vào sân thay thế cho Mario Balotelli.[72] Bàn thắng quốc tế chính thức đầu tiên của anh là trong chiến thắng giao hữu 2-0 trước Hà Lan vào ngày 4 tháng 9 năm 2014.[73] Ngày 31 tháng 5 năm 2016, Immobile đã được ghi tên vào đội hình 23 cầu thủ của Conte tham dự Euro 2016.[74]