Hosogai từng có thời gian thi đấu cho các đội trẻ quốc gia Nhật Bản. Anh là thành viên của đội tuyển Olympic Nhật Bản tham dự Thế vận hội Mùa hè 2008 tại Bắc Kinh.[11] Trận đấu đầu tiên của Hosogai cho đội tuyển là trận giao hữu thắng Paraguay 1-0 tại sân Saitama ở Saitama ngày 4 tháng 9 năm 2010 dưới thời huấn luyện viên tạm quyền Hiromi Hara.[12][13]

Hosogai sau đó được huấn luyện viên Alberto Zaccheroni triệu tập vào đội tuyển Nhật Bản tham dự Cúp bóng đá châu Á 2011 tại Quatar.[14] Ngày 25 tháng 1 năm 2011, trong trận bán kết với Hàn Quốc, anh đã ghi bàn nâng tỉ số lên 2-1 với cú đá bồi sau khi Honda Keisuke thực hiện quả phạt đền bị thủ môn Jung Sung-Ryong đẩy ra.[15] Chung cuộc Nhật Bản giành thắng lợi 3-0 trong loạt sút luân lưu để vào chung kết. Đội tuyển Nhật Bản đã giành chức vô địch giải đấu này sau khi đánh bại đội tuyển Úc 1-0 ở trận chung kết.