Kagawa từng được gọi vào đội hình U-20 Nhật Bản tranh tài ở VCK U-20 World Cup 2007 ở Canada. Năm 2008, anh cùng Olympic Nhật Bản tham dự Thế vận hội Mùa hè 2008 ở Bắc Kinh.

Ngày 24 tháng 5 năm 2008, Kagawa có lần đầu tiên khoác áo đội tuyển quốc gia trong trận giao hữu mà Nhật Bản đánh bại Bờ Biển Ngà 1-0. Tuy nhiên, anh không có tên trong danh sách 23 cầu thủ chính thức tham dự World Cup 2010 tại Nam Phi. Tháng 9 năm 2010, Kagawa ghi bàn thắng duy nhất giúp Nhật Bản đánh bại Paraguay ở Yokohama.

Kagawa có tên trong đội hình đội tuyển Nhật Bản tham dự Cúp bóng đá châu Á 2011 tại Qatar. Trong trận tứ kết với đội chủ nhà Qatar, anh lập cú đúp giúp Nhật Bản giành thắng lợi 3-2.[38] Đến trận bán kết với Hàn Quốc, Kagawa phải rời sân ở phút 87 vì chấn thương[39] nên không thể có mặt ở trận chung kết, nơi Nhật Bản đánh bại Úc 1–0 để giành ngôi vô địch.

Với chức vô địch châu Á, Kagawa đã cùng đội tuyển Nhật Bản tham dự Cúp Liên đoàn các châu lục 2013 tại Brasil. Kagawa ghi được một bàn thắng tại giải đấu này, trong trận thua 4-3 trước Đội tuyển bóng đá quốc gia Ý.[40]

Kagawa có tên trong danh sách 23 cầu thủ Nhật Bản tham dự Giải bóng đá vô địch thế giới 2014 tại Brasil.[41] Anh ra sân trong cả ba trận vòng bảng với Bờ Biển Ngà, Hy Lạp và Colombia và Nhật Bản cũng bị loại sau khi kết thúc vòng bảng.

Tháng 12 năm 2014, Kagawa được tân huấn luyện viên Javier Aguirre điền tên vào đội hình đội tuyển bóng đá quốc gia Nhật Bản tham dự Cúp bóng đá châu Á 2015 tại Úc.[42] Tại giải đấu này, anh có một bàn thắng trong trận đấu cuối cùng của vòng bảng với Jordan.[43] Đội tuyển bóng đá quốc gia Nhật Bản đã chính thức trở thành "cựu vương" của Cúp bóng đá châu Á sau thất bại 4–5 trên chấm luân lưu trước UAE tại tứ kết, trong đó Kagawa và Honda là những cầu thủ Nhật Bản đá hỏng phạt đền.[44]

Ngày 31 tháng 5 năm 2018, Kagawa được chọn tham dự giải đấu World Cup lần thứ hai trong sự nghiệp tại Nga sau khi huấn luyện viên Nishino Akira chốt danh sách 23 cầu thủ chính thức.[45] Trong trận đấu mở màn của đội tuyển Nhật Bản tại bảng H với Colombia, anh là người mở tỉ số trận đấu từ chấm phạt đền và đây cũng là bàn thắng đầu tiên từ chấm phạt đền của đội tuyển Nhật Bản trong lịch sử các lần tham dự World Cup của họ. Chung cuộc Nhật Bản thắng 2-1 và trở thành đội bóng Châu Á đầu tiên đánh bại một đại diện Nam Mỹ tại đấu trường World Cup.[46] Anh lại tiếp tục ra sân trong 2 trận còn lại của vòng bảng trước Sénégal và Ba Lan. Đội tuyển Nhật Bản sau đó vượt qua vòng bảng nhưng lại thua chung cuộc 2-3 trước Bỉ ở vòng 16 đội dù đã dẫn trước 2 bàn.