Selain di level klub, Di Biagio juga cemerlang di tingkat nasional. Dia memperkuat timnas senior Italia sejak 1998 hingga 2002. Di Biagio turut serta pada ajang Piala Dunia 1998 dan 2002 serta Piala Eropa 2000. Total sepanjang karir profesionalnya, Di Biagio bermain sebanyak 513 kali dan mencetak 68 gol baik itu di level klub maupun timnas.

Posisi pemain dengan karakter bertahan selalu menjadi semacam anugerah bagi Italia, yang memang mengakarkan diri pada filosifi sepak bola bertahan legendaris, catenaccio. Selain bek dan penjaga gawang tangguh, Italia tak pernah kehabisan stok untuk posisi semacam gelandang bertahan dan Di Biagio merupakan sosok gelandang bertahan terbaik di masanya. Dia mampu menjadi andalan timnas pada masa-masa Italia diperkuat mediano (gelandang bertahan) berkelas semacam Antonio Conte, Roberto Di Matteo hingga kemunculan awal Gennaro Gattuso.