Astori thi đấu 4 trận cho đội U-18 Ý từ năm 2004.[24]

Astori được gọi lên tập trung đội tuyển quốc gia lần đầu dưới thời tân huấn luyện viên Cesare Prandelli trước trận giao hữu với Côte d'Ivoire ngày 10 tháng 8 năm 2010[25] nhưng không được sử dụng.[26] Anh có trận đấu đầu tiên cho Italia vào ngày 29 tháng 3 năm 2011,[27] trong trận giao hữu với Ukraina ở Kiev. Anh vào sân ở phút 17 thay cho Giorgio Chiellini bị chấn thương; tuy nhiên anh nhận thẻ vàng thứ hai và rời sân khi trận đấu còn 15 phút.[28]

Astori góp mặt trong đội hình Ý tham dự Cúp Liên đoàn các châu lục 2013;[29] Ý lọt vào đến bán kết và chỉ chịu thua trên chấm phạt đền trước đội đương kim vô địch thế giới Tây Ban Nha vào ngày 27 tháng 6 năm 2013.[30] Vào ngày 30 tháng 6 năm 2013, Astori ghi bàn mở tỉ số trong trận tranh giải ba gặp Uruguay bằng cú đá bồi từ quả phạt trực tiếp của Alessandro Diamanti. Ý giành chiến thắng 3–2 trên chấm 11m sau khi hòa 2-2 trong 120 phút.[2][24][31] Đây là bàn thắng duy nhất của anh cho đội tuyển quốc gia, và là cầu thủ Cagliari đầu tiên ghi bàn cho Italia kể từ bàn thắng của Luigi Riva vào năm 1973.[32][33] Astori có tổng cộng 14 trận cho đội tuyển quốc gia từ 2011 tới 2017.[24]