Reprezentacyjna W reprezentacji Włoch środkowy obrońca zadebiutował w styczniu 1997 roku. Ma na swoim koncie udział w Mistrzostwach Świata (w 1998, 2002 i 2006 roku) oraz Mistrzostwach Europy (2000 i 2004). Jest wicemistrzem Europy z 2000 roku i mistrzem świata z 2006 roku. Został uznany najlepszym obrońcą Mundialu w Niemczech.
Na porannym treningu w bazie Włochów przed Euro 2008 – Badenie, Fabio doznał kontuzji naderwania więzadeł stawu skokowego. Na mistrzostwach zastąpił go Alessandro Gamberini, a Cannavaro pozostał z zespołem na czas mistrzostw. Jednocześnie zapowiedział, że nie zamierza kończyć międzynarodowej kariery w tak negatywny sposób i wyraził chęć gry dla reprezentacji Włoch aż do Mistrzostw Świata 2010Cannavaro has Italy future.. Po przegranej Włochów ze Słowacją (2:3) na MŚ 2010 Fabio Cannavaro, w wieku 36 lat ogłosił zakończenie kariery reprezentacyjnej.
Na mundialu w 2010 roku Włosi zakończyli turniej już na fazie grupowej, zajmując ostatnie miejsce w grupie. Po tym słabym występie zdecydował się zakończyć reprezentacyjną karierę.