Kể từ khi ra mắt vào năm 2000, Tymoshchuk đã trở thành cầu thủ chủ chốt của đội tuyển bóng đá quốc gia Ukraina. Anh đã nhận được nhiều sự tán dương nhờ vào màn trình diễn ở World Cup 2006 giải đấu mà Ukraina vào tới tứ kết, anh được chọn là Cầu thủ xuất sắc nhất trận trong trận gặp đội tuyển bóng đá quốc gia Tunisia.[17]

Tymoshchuk được một tả là một trong những chất xúc tác của Ukraina trong lần đầu họ dự World Cup.[18] Sau kì Euro 2016 không thành công của đội tuyển Ukraina khi để thua cả ba trận vòng bảng, không ghi được bàn thắng nào và bị thủng lưới 5 bàn, Anatoliy Tymoshchuk tuyên bố chia tay đội tuyển quốc gia sau 16 năm gắn bó, tổng cộng anh đã 144 lần khoác áo đội tuyển quốc gia và ghi được 4 bàn thắng.