Bertolacci memulakan pengalamannya beraksi bersama pasukan kebangsaan di Val-de-Marne untuk menyertai kejohanan antarabangsa yang disertai oleh pasukan bawah-16.[5] Beliau telah beraksi dalam ketiga-tiga perlawanan Itali dalam kempen kelayakan Kejohanan Eropah Bawah-17 2008 yang menyaksikan pasukannya gagal untuk mara ke pusingan akhir. Beliau seterusnya telah ditawarkan untuk menyertai pasukan bawah-19 pada Januari 2019 dengan beraksi dalam dua perlawanan pada kempen kelayakan Kejohanan Eropah Bawah-19 2010 dan satu perlawanan dalam pusingan kelayakan elit. Beliau juga terpilih untuk menyertai skuad yang mengambil bahagian dalam kejohanan akhir yang mana beliau beraksi sebagai barisan kesebelasan utama Itali dalam dua perlawanan kejohanan itu. Ketika musim 2010–11, beliau telah beraksi dalam dua perlawanan dengan mewakili pasukan bawah-20 yang bertanding di Kejohanan Empat Negara.

Pada April 2011, beliau telah mendapat panggilan pertama daripada pasukan bawah-21.[6] Namun, beliau mengalami kecederaan sekali gus terlepas aksi persahabatan.[7] Pada 10 Ogos 2011, beliau melakukan penampilan sulungnya untuk pasukan bawah-21 Itali dalam perlawanan persahabatan menentang Switzerland.

Pada 11 Jun 2013, Bertolacci telah menjaringkan gol penyamaan pada minit ke-94 permainan yang juga merupakan gol pertamanya untuk pasukan bawah-21 ketika menentang Norway dalam perlawanan Kejohanan Eropah Bawah-21 2013.[8][9] Itali seterusnya melangkah ke perlawanan akhir tetapi Bertolacci tidak diberi peluang untuk beraksi.[10]

Pada 9 November 2014, beliau telah dipanggil untuk menyertai pasukan senior oleh jurulatih Antonio Conte untuk menghadapi aksi kelayakan UEFA Euro 2016 menentang Croatia dan perlawanan persahabatan menentang Albania.[11] Pada 18 November, beliau melakukan penampilan pertamanya untuk Itali ketika menentang Albania dengan beraksi selama 70 minit yang berakhir dengan keputusan kemenangan 1-0. Pada 28 Mac 2015, beliau beraksi dalam perlawanan keduanya bersama skuad senior Itali semasa menentang Bulgaria dalam aksi kelayakan Euro 2016 yang berkesudahan dengan keputusan terikat seri 2-2.[12]