17 sierpnia rozwiązał kontrakt ze "Starą Damą", a 3 września 2018 roku podpisał kontrakt z rosyjskim Zenitem.
3 października 2019 ogłosił zakończenie piłkarskiej kariery..
Kariera reprezentacyjna Pierluigi Casiraghi po raz pierwszy powołał Marchisio do reprezentacji młodzieżowej w 2007 roku. Od tamtego momentu stał się on etatowym reprezentantem kadry U-21. Trener włoskiej młodzieżówki zabrał go również na Młodzieżowy Festiwal Talentów w Tulonie, w którym to Włosi zdobyli pierwsze miejsce. W meczu z Turcją Marchisio zdobył bramkę strzałem z 30 metrów, podwyższając wynik meczu na 2:0. W lipcu 2008 roku został powołany do reprezentacji olimpijskiej na Igrzyska Olimpijskie w Pekinie. W dorosłej reprezentacji piłkarz zadebiutował 12 sierpnia 2009 roku w zremisowanym 0:0 towarzyskim spotkaniu ze Szwajcarią. 7 października 2011 roku zdobył swojego pierwszego gola w reprezentacji narodowej. Mecz odbył się w ramach kwalifikacji do Euro 2012, a przeciwnikiem Włochów była kadra Serbii.
Wraz z reprezentacją Włoch na Euro 2012 zajął drugie miejsce.
7 czerwca 2017 rozegrał ostatni mecz w reprezentacji Włoch, przeciwko Urugwajowi.