Materazzi effectue quatre apparitions lors du Mondial allemand. Remplaçant lors des deux premiers matchs disputés par la Squadra, il entre en jeu le 22 juin lors de la rencontre Italie-République tchèque (2-0) suite à la blessure de Nesta et ouvre la marque de la tête sur un corner de Francesco Totti. Il est élu homme du match. Le 26 il est exclu sévèrement à la cinquantième minute de la rencontre face à l'Australie par l'arbitre espagnol Luis Medina Cantalejo pour un tacle irrégulier sur Marco Bresciano. Suspendu pour Italie-Ukraine, il effectue son retour lors du match de demi-finale du 4 juillet opposant l'Italie à l'Allemagne. Lors de la finale, le 9 juillet, Materazzi égalise d'une tête puissante durant la première mi-temps et marque à nouveau lors de la séance de tirs au but qui permet à la Squadra d'être sacrée championne du monde pour la quatrième fois de son histoire.
