Nel 2016 raggiunge la Nazionale maggiore, nella quale assume il ruolo di assistente tecnico dell'ex granata Gian Piero Ventura. Nel luglio 2017, ovvero pochi mesi prima della disfatta azzurra con la Svezia, Vanoli rassegna le sue dimissioni e decide di aggregarsi allo staff di Antonio Conte nel suo secondo anno al Chelsea, conquistando anche l'Fa Cup nel 2018. Nel 2019 fa poi ritorno in Italia, all'Inter, sempre come assistente tecnico di Antonio Conte, rimanendoci per due stagioni. In questo periodo, Vanoli si occupa principalmente dell’organizzazione della fase difensiva della squadra nerazzurra, uno dei fattori chiave per la vittoria dello Scudetto nel secondo anno.