Fagioli đá chính trong hầu hết các trận đấu cho U17 Ý tại Giải bóng đá vô địch U17 châu Âu 2018. Trong trận chung kết gặp U17 Hà Lan, anh vào sân thay người ở phút thứ 55 và có hai pha kiến tạo trong 8 phút tiếp theo để giúp U17 Ý lội ngược dòng dẫn trước 2–1 dù đã bị đối thủ dẫn trước một bàn. Nhưng cuối cùng, U17 Hà Lan đã gỡ hòa và đánh bại U17 Ý trong loạt sút luân lưu.[19]

Với U19 Ý, Fagioli đã tham dự Giải vô địch bóng đá U-19 châu Âu 2019.[20]

Ngày 3 tháng 9 năm 2021, anh ra mắt đội tuyển U21 Ý, vào sân thay người trong trận vòng loại thắng 3–0 trước U21 Luxembourg.[21]

Ngày 16 tháng 11 năm 2022, vài ngày sau khi được huấn luyện viên trưởng Roberto Mancini triệu tập vào đội tuyển bóng đá quốc gia Ý lần đầu tiên, Fagioli có trận ra mắt Azzurri trong trận giao hữu gặp Albania.[22]