2008년 8월 13일, 발로텔리는 마침내 이탈리아 시민권을 획득했고, 같은 날 기자회견에서 이탈리아 U21에서 뛰고 싶다는 뜻을 밝혔다. 8월 29일, 카시라기 감독은 그리스 U21과 크로아티아 U21과의 경기에 발로텔리가 이탈리아 U21 대표로 선발될 것이라고 밝혔다. 그는 그리스 U21과의 1-1 무승부에서 이탈리아 U21 첫 골을 넣었습니다. 2009년 U21 유럽축구선수권대회 예선 플레이오프에서 이스라엘 U21과의 경기에서 두 골을 기록했습니다.
2009년 6월 19일, 개최국 스웨덴 U21과의 2009 U21 유럽축구선수권대회 결승전 조별리그 경기에서 발로텔리는 전반 23분에 골을 넣어 팀에 1-0 리드를 안겨주었다. 36분에는 상대선수의 반칙으로 레드카드를 받고 퇴장당했다.
2012년 유러피언 네이션스컵 스페인과의 C조 첫 경기에서 발로텔리는 스페인 수비의 실수를 틈타 득점 기회를 얻었으나 갑자기 '인생을 생각하다'로 속도를 늦췄다. 위기를 해결한 후 그는 즉시 코치에 의해 퇴장당했고, 몇 분 뒤 그를 대신해 교체 투입된 디 나탈레가 이탈리아 대표팀의 선제골을 넣었다. 그 후 크로아티아와의 2차전에서 발로텔리는 4개 이상의 위협적인 슈팅을 시도했다. 그는 이탈리아 프론트코트 최고의 선수 중 한 명이었지만 후반전에 교체되어 이탈리아 팀이 선두를 잃었다. 결국 묶였습니다. 그러나 아일랜드와의 조별리그 최종라운드에서 이탈리아가 승리해야만 진출할 수 있었던 상황에서 발로텔리는 후반 74분 교체 투입돼 페널티 지역에서 파일루의 코너킥을 받아냈다. 89분 그는 라인 근처에서 어려운 발리슛을 시도하여 득점했고, 이탈리아가 2:0으로 승리하며 간신히 조 2위에 올랐습니다.
2012년 6월 11일, 발로텔리는 스페인과의 조별 예선 첫 경기에서 토너먼트의 가장 큰 농담을 했을 것입니다. 걷다가 인생에 대해 생각하는 동안 단 하나의 골을 놓쳤다는 것입니다. 그는 단 5분 만에 곧바로 득점에 성공한 디 나탈레로 교체됐다. 바센은 모두의 웃음거리가 되었습니다. 2012년 유러피언컵에서 바르셀로나는 조별리그 3라운드 내내 인생에 대해 생각하며 보냈다. 바르셀로나는 마침내 마지막 순간에 자신의 '생각 보고서'를 제출했다. Sky'는 이탈리아 팀이 성공적으로 8위 안에 드는 데 도움을 줬다. 6월 28일, 2012년 유럽축구선수권대회 준결승전에서 발로텔리는 2골을 터뜨려 이탈리아의 결승 진출을 도왔다. 이탈리아는 6월 29일 독일을 2-1로 꺾고 공식전 15연승이라는 상대 세계기록을 경신하며 독일과의 주요 대회 무패 행진을 이어갔고, 결승전에서 디펜딩 챔피언 스페인과 다시 맞붙었다. 발로텔리는 두 골을 터뜨리며 이탈리아가 득점 없이 유러피언컵 준결승에 진출한 역사를 다시 썼다. 월드컵, 유러피언컵 등 주요 대회 준결승에서 2골을 넣은 이탈리아 스타는 1982년 로시(폴란드 2-0)와 로베르토 바지오(1994년)뿐이다. 2:1), 마리오 발로텔리(2012년 독일을 2:1로 이겼습니다). 발로텔리는 이탈리아 축구의 18년 기록과 이탈리아 팀의 유러피언컵 기록을 세웠습니다.
2012년 6월 28일 폴란드 바르샤바 국립경기장에서 열린 유러피언컵 준결승전에서 발로텔리는 전반전 동료 카사노와 몬톨리보의 정확한 패스를 받아 수비진이 막아낸 골문을 돌파했다. 독일 골키퍼 노이어는 팀이 가장 좋아하는 독일 팀을 2:1로 이길 수 있도록 도왔습니다. 지난 7월 1일 스페인과의 유러피언컵 결승전에서 기대를 모았던 이탈리아는 상대팀에게 0:4로 패해 경기 뒤 눈물을 흘렸다.
2014년 6월 15일 월드컵 D조 포커스 매치에서 세계 강국인 영국과 이탈리아가 좁은 길에서 만났다. 90분간의 접전 끝에 이탈리아는 2:1로 승리하며 조별리그에서 좋은 출발을 보였다. 발로텔리가 결승골을 넣었다. 이탈리아 대표팀은 6월 17일 리우데자네이루에서 열린 월드컵 조별리그 경기에서 잉글랜드를 2-1로 이겼다.
전반 78분에는 발로텔리가 골문 7m 앞에서 헤딩슛으로 득점해 이탈리아 팀의 승리를 확정지었다.