Mistrzostwa Świata 2002 W 2002 roku zaliczył ostatni wielki turniej w reprezentacyjnej karierze. Został powołany przez Giovanniego Trapattoniego na Mistrzostwa Świata 2002. Nie był już wtedy w tak wysokiej formie jak w poprzednich turniejach i był tylko rezerwowym. Zaliczył tam tylko pierwszy mecz, wygrany 2:0 z Ekwadorem (został w 69. minucie zmieniony przez Gennaro Gattuso), a potem usiadł na ławce na rzecz Cristiano Zanettiego i w mistrzostwach więcej nie zagrał. Włosi odpadli w 1/8 finału po kontrowersyjnej porażce 1:2 z Koreą Południową.
Po mistrzostwach Di Biagio grał jeszcze w kadrze w eliminacjach do Euro 2004, ale na sam turniej nie otrzymał powołania od Giovanniego Trapattoniego i postanowił zakończyć reprezentacyjną karierę. Ogółem w reprezentacji Włoch Luigi Di Biagio zagrał w 31 meczach i zdobył 2 gole.
Kariera trenerska Początkowo Di Biagio prowadził młodzieżowe drużyny w mniejszych rzymskich klubach. 25 lipca 2011 został selekcjonerem reprezentacji Włoch U-20. Dwa lata później przejął kadrę U-21, z którą awansował na młodzieżowe mistrzostwa Europy 2015. Włosi odpadli w fazie grupowej.