Chanathip khởi đầu sự nghiệp quốc tế cùng đội U-20 Thái Lan, anh chơi cho đội cho đến khi VCK U-19 châu Á 2012 khép lại. Ở cấp độ này, Chanathip còn khá vô danh đối với người hâm mộ. Ngoại trừ 1 bàn thắng ghi được trong một trận giao hữu, dấu ấn cầu thủ này để lại ở U-20 là khá mờ nhạt.

Sau mùa giải 2012 chói sáng, Chanathip được HLV tuyển Thái Lan Winfried Schäfer triệu tập tham dự King's Cup 2012 và AFF Cup 2012. Anh là cầu thủ trẻ nhất trong các cầu thủ được triệu tập khi đó khi mới 19 tuổi. Ở AFF Cup năm đó, Chanathip không thể hiện được gì nhiều do chủ yếu ngồi dự bị. Trận đấu duy nhất anh được đá chính ở giải đấu là trận cuối cùng của vòng bảng gặp Việt Nam khi Thái Lan đã sớm giành vé đi tiếp. Thái Lan kết thúc AFF Cup 2012 với vị trí Á quân sau khi thua Singapore sau 2 lượt trận chung kết.

Tháng 2/2013, Chanathip ghi bàn thắng đầu tiên cho đội tuyển quốc gia ở vòng loại Asian Cup 2015, đó là bàn thắng duy nhất của Thái Lan trong trận thua Kuwait 1-3 trên sân nhà, tuy nhiên những đóng góp của anh trong lối chơi chung của "Voi chiến" khi ấy vẫn khá hạn chế. Bước ngoặt lớn nhất trong sự nghiệp quốc tế của Chanathip chỉ đến khi huyền thoại bóng đá Thái Lan là Kiatisak Senamuang trở thành HLV trưởng của ĐTQG vào tháng 6/2013. Kể từ đó, anh luôn được Kiatisak trọng dụng thường xuyên và những đóng góp cũng nhiều hơn trước. Trong trận giao hữu mà Kiatisak ra mắt trước Trung Quốc, Chanathip đã đóng góp 1 bàn thắng giúp Thái Lan đại thắng với tỷ số khó tin 5-1.

Cuối năm 2013, Chanathip đã có danh hiệu đầu tiên trong sự nghiệp thi đấu quốc tế khi cùng U-23 Thái Lan vô địch Sea Games 2013 tại Myanmar sau khi thắng U-23 Indonesia với tỉ số 1-0. Anh tiếp tục cùng U-23 Thái Lan thi đấu thành công ở đấu trường châu lục khi giành vị trí thứ 4 chung cuộc ở ASIAD 2014 tại Hàn Quốc, bản thân Chanathip đã ghi 2 bàn tại giải đấu này. Thành công ở cấp độ trẻ đã tạo tiền đề để "Messi Thái" chói sáng ở ĐTQG. Ở AFF Cup 2014 vào cuối năm, sau khi kết thúc vòng bảng với 3 trận toàn thắng, Thái Lan bất ngờ bị Philippines cầm hòa không bàn thắng trong trận bán kết lượt đi, nhưng trong trận lượt về trên sân nhà, Chanathip đã ghi bàn thắng ở ngay phút thứ 5 giúp đội nhà giải tỏa áp lực và thắng 3-0 sau đó. Khi tái ngộ Malaysia ở chung kết (hai đội từng gặp nhau ở vòng bảng), Thái Lan thắng 2-0 trên sân nhà ở lượt đi nhưng lại bị đối phương dẫn lại 3-0 ở lượt về. Khi trận đấu chỉ còn 10 phút, Charyl Chappuis ghi bàn thắng đầu tiên giúp Thái Lan sống lại cơ hội vô địch, và bàn thắng tiếp theo của Chanathip sau đó ít phút từ 1 cú sút xa đẹp mắt đã kết liễu hi vọng mong manh cuối cùng của đội chủ nhà Malaysia, qua đó giúp bóng đá Thái Lan giành được chức vô địch AFF Cup đầu tiên sau 12 năm. Bên cạnh chức vô địch, Chanathip còn được nhận danh hiệu Cầu thủ xuất sắc nhất giải đấu. Đây là một thành tích cá nhân thật sự ấn tượng nếu biết rằng anh chỉ mới 21 tuổi và không được đặt nhiều kì vọng trước khi AFF Cup diễn ra.

Từ sau thành công ở AFF Cup 2014, Chanathip bắt đầu vươn lên trở thành một ngôi sao thành danh thực sự, anh luôn được triệu tập thường xuyên vào đội tuyển trong mọi giải đấu lớn nhỏ. Và cũng từ đó bóng đá Thái Lan bắt đầu "hoá rồng". Ở vòng loại World Cup 2018 giai đoạn 2, Thái Lan rơi vào bảng F bao gồm Việt Nam, Iraq, Đài Loan. Chanathip và các đồng đội thi đấu thăng hoa, đánh bại Việt Nam và Đài Loan cả hai lượt đi-về. Tuy nhiên điều bất ngờ nhất là thầy trò Kiatisak đã cầm hoà đối thủ mạnh Iraq cả hai lượt trận với cùng tỷ số 2-2 trong thế trận ngang ngửa đối phương. Trong chiến dịch thành công ấy, "Messi Jay" đã thi đấu thầm lặng nhưng điềm tĩnh, góp công giúp Thái Lan tiến vào vòng loại cuối cùng của World Cup lần đầu tiên kể từ năm 2002. Tuy nhiên sau đó, do phải gặp những đối thủ vượt trội về đẳng cấp như Nhật Bản, Australia và Saudi Arabia, Thái Lan đã không thể tạo nên bất ngờ khi không thắng một trận nào ở vòng loại cuối cùng, đành chấp nhận dừng bước.

Dù thất bại ở đấu trường châu lục, Chanathip vẫn thể hiện phong độ cao ở các giải đấu khu vực. Năm 2015, anh tiếp tục cùng U23 Thái Lan bảo vệ thành công chiếc HCV Sea Games 2015 tại Singapore. Đến năm 2016, Chanathip một lần nữa cùng đội tuyển Thái Lan bảo vệ thành công danh hiệu AFF Cup 2016 sau khi vượt qua Indonesia ở chung kết với tổng tỷ số 3-2 sau 2 lượt trận. Và bản thân "Messi Jay" lần thứ hai trong sự nghiệp được trao giải thưởng "Cầu thủ xuất sắc nhất" ở giải năm đó. Anh cũng trở thành cầu thủ Đông Nam Á đầu tiên hai lần giành được danh hiệu cá nhân này.

Tại vòng chung kết Asian Cup 2019, ở lượt trận thứ hai gặp Bahrain, Chanathip ghi bàn thắng duy nhất của trận đấu, giúp Thái Lan vượt qua đối thủ với tỉ số 1-0. Đây cũng là bàn thắng duy nhất của anh tại giải đấu này.