De Rossi từng thi đấu cho U-21 Ý vào năm 2004, anh cùng đội tuyển Ý giành huy chương đồng Olympic 2004 tại Athens. Anh được gọi vào đội tuyển Ý chuẩn bị cho vòng loại World Cup 2006. Ngay trong trận đấu đầu tiên khoác áo đội tuyển quốc gia vào ngày 4 tháng 9 năm 2004, anh đã có bàn thắng vào lưới Na Uy. Bàn thắng thứ hai của anh tại vòng loại đến trong trận thắng Belarus 4-3.[7]

Tại World Cup 2006, trong trận gặp đội tuyển Mỹ tại vòng loại, De Rossi đã đánh nguội vào mặt Brian McBride và lãnh thẻ đỏ trực tiếp. Với hành động trên, anh đã phải nhận án phạt bị treo giò 4 trận và tiền phạt 10.000 Franc Thụy Sĩ.[8] Vì án phạt nên Rossi chỉ được ra sân trong trận chung kết gặp đội tuyển Pháp khi anh vào sân thay thế đồng đội ở AS Roma Francesco Totti ở phút 61. Trong loạt sút luân lưu quyết định đội vô địch, De Rossi thực hiện thành công quả pelnaty thứ ba và cú đá hỏng của David Trezeguet đã đem lại danh hiệu vô địch World Cup 2006 cho Ý.[9]

Tại vòng loại Euro 2008, Rossi ghi được một bàn thắng trong chiến thắng 3-1 của Ý trước Georgia.[10] Trước khi bước vào giải, anh được huấn luyện viên Roberto Donadoni trao cho chiếc áo số 10. Bước vào vòng đấu bảng Euro 2008, De Rossi được ra sân chính thức trong hai trận gặp Romania và Pháp. Trong trận gặp Pháp, Rossi nâng tỉ số trận đấu lên 2-0 sau một pha sút phạt sấm sét và cuối trận anh nhận luôn danh hiệu Cầu thủ xuất sắc nhất trận đấu.

Rossi có được cú đúp đầu tiên cho đội tuyển quốc gia trong chiến thắng 2-0 của Ý trước Georgia tại vòng loại World Cup 2010.[11] Trong trận đấu đầu tiên của đội tuyển Ý tại FIFA Confederations Cup 2009 với Mỹ, Rossi đã ghi bàn ấn định chiến thắng 3-1 với cú volley rất đẹp mắt ngay trong vòng cấm sau đường trả bóng thông minh của Andrea Pirlo.[12]

Tại World Cup 2010, Rossi ghi bàn ấn định tỉ số 1-1 trong trận đấu đầu tiên tại vòng bảng với Paraguay từ sai lầm của thủ môn Justo Villar, giúp đương kim vô địch Ý tránh khỏi thất bại ngay trong ngày ra quân.[13] Ở trận đấu thứ hai hoà New Zealand 1-1, Rossi đã đem về quả phạt đền giúp Ý cân bằng tỉ số.[14] Anh được FIFA chọn làm Cầu thủ xuất sắc nhất trận đấu.[15] Tuy nhiên, sau đó tuyển Ý đã bị loại ngay vòng bảng với chỉ 2 điểm sau ba trận.

Sau khi đội tuyển Ý thất bại trước Thụy Điển với tổng tỉ số 0-1 ở lượt trận play-off World Cup 2018 khu vực châu Âu, Daniele De Rossi tuyên bố chia tay đội tuyển Ý sau 13 năm gắn bó, tổng cộng anh đã thi đấu 117 trận và ghi được 21 bàn thắng.