Ở cấp độ quốc tế, Ki đã chơi năm 2007 trong đội U-20 World Cup và cho đội tuyển quốc gia Hàn Quốc cũng như đội U-23 Hàn Quốc.

Ngày 7 tháng 6 năm 2008, anh ra mắt trận quốc tế của mình trong trận so tài ở World Cup 2010 với Jordan.

Ngày 1 tháng 6 năm 2010, Ki được chọn là một trong 23 nam cầu thủ đội Hàn Quốc dự World Cup. Ngày 12 tháng 6, Ki chơi trong trận đầu tiên của Hàn Quốc tại World Cup 2010 với đội Hy Lạp. Ki đóng một vai trò trong tất cả ba trận và 2 đường kiến tạo trong hai trận khác nhau với Hy Lạp và Nigeria đã giúp anh và đất nước của mình được vào đến vòng knock-out (vòng 1/8) của cuộc thi.

Ngày 20 tháng 12 năm 2011, Ki (cùng với Ji So-yun của Kobe INAC Nhật Bản) đã được trao giải cầu thủ xuất sắc nhất Hàn Quốc trong năm. Quyết định này được công bố bởi Hiệp hội bóng đá Hàn Quốc (KFA) dựa trên hiệu suất quốc tế và đóng góp cho câu lạc bộ của mình trong Scottish Premier League.

Trong Thế vận hội London 2012, anh ghi bàn quan trọng trong loạt sút penalty thứ năm trong trận tứ kết giữa Hàn Quốc với Vương quốc Anh, giúp cho Hàn Quốc tiến đến vòng bán kết. Hàn Quốc thua 0-3 trước Brazil trong trận bán kết, nhưng đánh bại Nhật Bản 2-0 ở trận tranh giải ba để giành huy chương đồng.

Ki đã được lựa chọn cho đội tuyển Hàn Quốc dự FIFA World Cup 2014 ở Brasil. Anh chơi trong cả ba trận cho tuyển Hàn Quốc trước khi bị loại ở vòng bảng sau khi có một trận hòa và thua hai trận. Sau World Cup, Ki trở thành đội trưởng của đội tuyển bóng đá quốc gia dưới thời tân huấn luyện viên Uli Stielike.

Ki cũng chơi cho Hàn Quốc ở Asian Cup 2015 vào tháng 1, giúp đất nước mình đi tới trận cuối cùng đối đầu với nước chủ nhà Australia. Anh cung cấp đường kiến tạo cho Son Heung-min để buộc trận chung kết hòa 1-1 và phải đá thêm thời gian (hiệp phụ), nhưng người Australia đã ghi bàn lần nữa trong 30 phút để giành chiến thắng 2-1.

Anh tiếp tục được huấn luyện viên Shin Tae-yong triệu tập tham dự World Cup 2018 ở Nga, giải đấu mà anh đã góp mặt trong cả ba trận vòng bảng trước Thụy Điển, México và Đức. Đội tuyển Hàn Quốc sau đó rời giải với vị trí thứ 3 vòng đấu bảng dù đội đã đánh bại Đức 2-0 và loại Đức.

Sau khi đội tuyển Hàn Quốc dừng bước ở tứ kết Asian Cup 2019 sau thất bại 0-1 trước Qatar, Ki Sung-yueng tuyên bố chia tay đội tuyển quốc gia sau 11 năm gắn bó, tổng cộng anh đã thi đấu 110 trận và ghi được 10 bàn thắng.