2007年，迪馬利亞入選了阿根廷U20參加在巴拉圭舉行的2007年南美青年足球錦標賽。隨後，他獲選參加在加拿大舉行的2007年世界青年足球錦標賽，在整項賽事中取得3個入球。
2008年1月28日，迪馬利亞入選了奧運隊，代表阿根廷隊出戰2008年夏季奧林匹克運動會男子足球比賽。他在半準決賽的加時賽第105分鐘攻入致勝的一球，協助阿根廷隊以2-1戰勝荷蘭。
2008年8月23日，在對陣尼日利亞的決賽中，迪馬利亞在第57分鐘接梅西助攻攻入一球，結果阿根廷以1-0擊敗了尼日利亞，成功衛冕奧運會冠軍。
迪馬利亞也入選阿根廷大國腳，出戰2010年世界盃外圍賽。2010年5月24日，與加拿大的友誼賽踢進作為國家隊一員的第一顆球。
2010年，迪馬利亞入選2010年世界盃阿根廷國家隊23人名單之中，背號7號。
2011年入選2011年美洲盃阿根廷國家隊名單。
2014年，迪馬利亞入選2014年世界盃阿根廷國家隊23人名單之中，背號7號。1/4决赛对比利时後受傷，本人希望帶傷上陣決賽，但皇家馬德里卻發信要求阿根廷不派迪馬利亞出戰決賽。[4]
2015年入選2015年美洲盃阿根廷國家隊23人名單。
2016年百年美洲杯代表阿根廷先發，在小组赛賽程中受傷退場，在決賽對陣智利時火線復出但狀態不佳。
2018年，迪馬利亞入選2018年世界盃阿根廷國家隊23人名單之中，背號11號。在對戰法國時在一次進攻中，於禁區外32碼處獲隊友傳球，迪馬利亞立即起腳射門打入一脚世界波，為該屆賽事最遠的長射。
2021年6月，迪馬利亞入選了阿根廷參加2021年美洲國家盃的大名單。 7月10日，他在決戰中以1-0戰勝巴西的比賽中打進了致勝球，最終帮助阿根廷隊獲得美洲盃冠軍。[12]
2022年5月，在帮助阿根廷以不败战绩结束南美世预赛后，迪马利亚接受采访，表示自己将在世界杯后退出国家队。
2022年11月，迪馬利亞入選2022年世界盃阿根廷國家隊26人名單。
2022年12月，阿根廷獲得了世界杯。在决赛上半场，制造一球点球并取得一球进球，阿根廷队最终点球大战夺冠，迪马利亚也成为史上首位在奥运会决赛、洲际杯赛决赛（美洲杯、欧美杯）和世界杯决赛中都取得进球的球员。[13]赛后，迪马利亚撤回从国家队退役的决定，表示希望以世界杯冠军身份再踢几场比赛。
2023年2月，三星阿根廷公布了他们的首期大名单，梅西与迪马利亚在列，两人已连续14年一同入选国家队。3月23日，在对阵巴拿马的热身赛中，迪马利亚再次首发登场。3月29日，在对阵库拉索的热身赛中，迪马利亚为阿根廷制造一粒点球，已上演帽子戏法的梅西将点球主罚权交给迪马利亚，后者主罚命中。阿根廷最终以7-0的比分屠杀库拉索，为世界杯夺冠系列庆祝活动掀起又一个高潮。
2023年5月27日，阿根廷国家队公布亚洲巡回赛对阵澳大利亚（在中国进行）和印度尼西亚的大名单，迪马利亚在列。
2024年美洲杯後，迪瑪利亞退出阿根廷國家隊。[14]