Cahill là một cầu thủ quốc tế, anh có đủ điều kiện để chơi cho một trong hai Đội tuyển Anh hoặc Đội tuyển cộng hòa Ai-Len,nhưng anh đã chọn để chơi cho Đội tuyển Anh. Ngày 6 tháng 2 năm 2007, anh có trận ra mắt cho U21 Anh, anh được thay vào trong trận đấu với Tây Ban Nha. Ngày 4 tháng 6 năm 2009, Cahill được gọi lên đội tuyển Anh cho trận đấu với Kazakhstan. Tuy nhiên, anh chỉ lần đầu ra mắt ngày 3 tháng 9 năm 2010. Ngày 29 tháng 3 năm 2011, Cahill có trận đấu đầu tiên cho đội tuyển quốc gia trong trận giao hữu với Ghana. Anh ghi bàn thắng đầu tiên của mình trong trận đấu với Bulgaria ở vòng loại Euro 2012.

Sau kì World Cup 2018 thành công của đội tuyển Anh (xếp hạng tư chung cuộc giải đấu), Gary Cahill tuyên bố chia tay đội tuyển quốc gia sau 8 năm gắn bó, tổng cộng anh đã thi đấu 61 trận và ghi được 5 bàn thắng.