Diego Benaglio telah mewakili pasukan kebangsaan Switzerland sejak 2006. Beliau telah dipanggil untuk skuad Piala Dunia FIFA 2006 dan menjadi penjaga gol ketiga di belakang Pascal Zuberbühler dan Fabio Coltorti. Beliau membuat debut pada perlawanan persahabatan pra-kejohanan menentang China pada 3 Jun. Selepas beliau beraksi dengan baik untuk kelab, beliau termasuk dalam skuad UEFA Euro 2008 di halaman sendiri dan menjadi penjaga gol pertama.

Selepas pasukannya layak ke Piala Dunia FIFA 2010 di Afrika Selatan, Benaglio bermain kesemua perlawanan kumpulan dan hanya dibolosi satu gol.

Benaglio bermain sebanyak sembilan kali pada perlawanan kelayakan Piala Dunia FIFA 2014 dan menjaga gawang gol Switzerland supaya tidak ditembusi sebanyak enam perlawanan. Pada 2 Jun 2014, beliau termasuk dalam skuad Piala Dunia FIFA 2014 oleh jurulatih kebangsaan, Ottmar Hitzfeld. Beliau menyelamatkan tendangan penalti oleh Karim Benzema pada perlawanan kedua peringkat kumpulan namun tewas 5-2 kepada Perancis.

Pada 20 Ogos 2014, Benaglio bersara daripada aksi bola sepak antarabangsa.