ดี โลเรนโซเคยเป็นตัวแทนของทีมชาติอิตาลีในรุ่นอายุไม่เกิน 20 ปีและรุ่นอายุไม่เกิน 21 ปี[2]

วันที่ 14 สิงหาคม ค.ศ. 2013 เขาลงเล่นนัดแรกให้แก่ทีมชาติรุ่นอายุไม่เกิน 21 ปีภายใต้การคุมทีมของอดีตนักฟุตบอลอิตาลี ลุยจี ดี บีอาโจ ในเกมกระชับมิตรที่พบกับสโลวาเกีย ซึ่งอิตาลีเอาชนะไปได้ 4–1

เขาลงเล่นให้แก่ทีมชาติชุดใหญ่ครั้งแรกเมื่อวันที่ 15 ตุลาคม ค.ศ. 2019 โดยได้ลงเล่นเป็นตัวจริง ช่วยให้ทีมบุกไปเอาชนะลิกเตนสไตน์ 5–0 ในฟุตบอลชิงแชมป์แห่งชาติยุโรป 2020 รอบคัดเลือก[3]

เดือนมิถุนายน ค.ศ. 2021 เขามีชื่อติดทีมชาติอิตาลีในการแข่งขันฟุตบอลชิงแชมป์แห่งชาติยุโรป 2020 ภายใต้การคุมทีมของโรแบร์โต มันชีนี[4] วันที่ 11 กรกฎาคม เขาได้ลงเล่นเต็มเวลาในนัดชิงชนะเลิศที่สนามกีฬาเวมบลีย์และมีส่วนช่วยให้อิตาลีชนะเลิศรายการนี้เป็นสมัยที่สอง หลังจากที่เอาชนะการยิงลูกโทษเหนืออังกฤษ 3–2[5]