Il 1º settembre 2016 debutta sulla panchina azzurra, perdendo in amichevole (3-1) contro la Francia. Nelle qualificazioni al campionato del mondo 2018 l’Italia chiude il suo girone al secondo posto, perdendo con la Spagna lo scontro diretto per la vetta. Il piazzamento obbliga la squadra ai play-off, in cui gli Azzurri sono abbinati alla Svezia. Persa di misura la partita d'andata, l’Italia pareggia (0-0) la gara di ritorno fallendo - per la prima volta dal 1958 - l'ingresso ai Mondiali.

Ventura viene esonerato il 15 novembre 2017.