Di Lorenzo đã từng chơi cho U-20 và U-21 Ý.[11]

Vào ngày 14 tháng 8 năm 2013, Di Lorenzo đã có trận ra mắt đội tuyển quốc gia U21 Ý dưới sự dẫn dắt của huấn luyện viên kiêm cựu cầu thủ bóng đá Ý Luigi Di Biagio trong một trận giao hữu với Slovakia mà Ý đã giành chiến thắng 4–1.

Anh ấy đã có trận ra mắt cho đội tuyển quốc gia vào ngày 15 tháng 10 năm 2019, đá chính trong chiến thắng 5–0 trước Liechtenstein, trong trận đấu thuộc vòng loại UEFA Euro 2020.[12]

Vào tháng 6 năm 2021, anh được HLV Roberto Mancini đưa vào danh sách 26 cầu thủ của Italia tham dự VCK Euro 2020.[13] Sau khi đánh bại Bỉ vào ngày 2 tháng 7, Di Lorenzo đã trở nên nổi tiếng khi ăn mừng chiến thắng bằng cách cởi quần đùi và chạy vòng quanh mà chỉ mặc mỗi quần sịp.[14] Vào ngày 11 tháng 7, Di Lorenzo đã giành chức vô địch châu Âu với Ý sau chiến thắng 3–2 trong loạt sút luân lưu trước Anh tại sân vận động Wembley trong trận chung kết sau khi hòa 1–1 trong hiệp phụ. Trong trận chung kết, Di Lorenzo đã chơi toàn bộ trận đấu.[15]

Vào ngày 8 tháng 9, Di Lorenzo ghi bàn thắng đầu tiên cho đội tuyển quốc gia Ý khi ghi bàn thắng cuối cùng trong chiến thắng 5–0 trên sân nhà trước Lithuania tại vòng loại FIFA World Cup 2022. Anh cũng đã đóng góp vào bàn thắng đầu tiên của Giacomo Raspadori cho Ý.[16][17][18]