Tháng 8 năm 2009, Lovren lần đầu tiên được triệu tập vào đội tuyển Croatia nhưng phải đến ngày 8 tháng 11 năm 2009 anh mới có trận ra mắt đội tuyển trong trận đấu với Qatar, vào sân thay cho Danijel Pranjic.

Ngày 2 tháng 9 năm 2011, Lovren có bàn thắng quốc tế đầu tiên trong trận đấu với Malta thuộc vòng loại Euro 2012. Anh có tên trong danh sách 23 cầu thù Croatia tham dự Euro 2012 nhưng phải rút lui một tuần trước khi giải đấu bắt đầu vì chấn thương.[28] Lovren có bàn thắng thứ hai cho đội tuyển trong trận thua 2-1 trước Wales thuộc vòng loại World Cup 2014. Trong trận này anh còn có pha phạm lỗi dẫn đến quả phạt đền mà từ đó Gareth Bale đã ấn định chiến thắng 2-1 cho Wales.[29]

Mùa hè năm 2014, Lovren được tham dự giải đấu quốc tế lớn đầu tiên là World Cup 2014 tại Brasil. Trong trận đấu giai mạc của giải đấu với chủ nhà Brasil, khi tỉ số đang là 1-1, trọng tài người Nhật Bản Yuichi Nishimura cho Brasil được hưởng quả phạt đền gây tranh cãi khi cho rằng Lovren đã phạm lỗi với tiền đạo Fred. Brasil giành chiến thắng chung cuộc 3–1[30][31] và sau đó Croatia bị loại sau vòng bảng với trận thua 1-3 trước Mexico.

Mối quan hệ không tốt giữa Lovren và huấn luyện viên Ante Čačić khiến anh bị loại khỏi đội hình tham dự Euro 2016.[32]

Anh tiếp tục được triệu tập tham dự World Cup 2018 diễn ra tại Nga, giải đấu mà anh và các đồng đội đã lọt vào trận chung kết và chịu thất thủ 2-4 trước đội tuyển Pháp, giành vị trí á quân.