Benaglio có trận đấu đầu tiên cho đội tuyển Thuỵ Sĩ vào ngày 3 tháng 6 năm 2006 trong trận giao hữu với đội tuyển Trung Quốc.[7] Anh được gọi vào đội tuyển tham dự World Cup 2006, nhưng chỉ là sự lựa chọn số ba cho vị trí thủ môn chính thức sau Pascal Zuberbühler và Fabio Coltorti.

Với phong độ tốt, tháng 2 năm 2008, huấn luyện viên trưởng đội tuyển Thuỵ Sĩ Köbi Kuhn đã trao cho anh vị trí thủ môn chính thức ở Euro 2008, giải đấu mà Benaglio cùng các đồng đội được chơi trên sân nhà.[7] Tuy nhiên, Thuỵ Sĩ đã bị loại ngay từ vòng bảng với vị trí bét bảng.

Năm 2009, Benaglio đã giành được danh hiệu Cầu thủ Thuỵ Sĩ xuất sắc nhất năm.[8] Anh có tên trong danh sách 23 cầu thủ tham dự World Cup 2010 của huấn luyện viên Ottmar Hitzfeld[9] và là thủ môn chính thức trong cả ba trận tại giải này, chỉ để lọt lưới một bàn và có 16 pha cứu thua[10] nhưng Thụy Sĩ vẫn bị loại ngay sau vòng bảng.

Benaglio là đội trưởng đội Olympic Thụy Sĩ tham dự Thế vận hội Mùa hè 2012. Tại Vòng loại giải vô địch bóng đá thế giới 2014 khu vực châu Âu, anh có sáu trận giữ sạch lưới trong chín trận ra sân và do đó tiếp tục có cơ hội tham dự kỳ World Cup thứ ba trong sự nghiệp là World Cup 2014.[11] Trong trận đấu thứ hai của vòng bảng với đội tuyển Pháp, Begnalio cản phá được một quả phạt đền của Karim Benzema nhưng chung cuộc Thụy Sĩ để thua đậm 2–5.[12] Thụy Sĩ vào được vòng loại trực tiếp và bị loại bởi Argentina, đây cũng là trận đấu quốc tế cuối cùng của Benaglio.

Ngày 20 tháng 8 năm 2014, Benaglio tuyên bố giã từ sự nghiệp thi đấu quốc tế sau 61 lần khoác áo đội tuyển Thụy Sĩ.[13]