W sierpniu 2010 Cesare Prandelli powołał go do seniorskiej reprezentacji Włoch na towarzyski mecz z Wybrzeżem Kości Słoniowej. W drużynie narodowej zadebiutował 29 marca 2011 w wygranym 2:0 towarzyskim meczu z Ukrainą. W 2013 został powołany do kadry na Puchar Konfederacji. Wystąpił na nim w zremisowanym 2:2 pojedynku o 3. miejsce z Urugwajem (wygrana 3:2 po rzutach karnych), w którym strzelił też debiutanckiego gola. Jego ostatnim meczem w reprezentacji było wygrane 1:0 spotkanie eliminacji do Mistrzostw Świata 2018 z Izraelem, rozegrane 5 września 2017 na Stadio Giglio w Reggio nell’Emilia.
W latach 2011–2017 rozegrał 14 spotkań i zdobył 1 bramkę dla Azzurrich.
Śmierć Davide Astori zmarł podczas snu, w niedzielę 4 marca 2018, w hotelowym pokoju w Udine, gdzie wraz z drużyną Fiorentiny, przebywał przed wyjazdowym meczem 27. kolejki Serie A z tamtejszą drużyną Udinese.