Williamson đã thi đấu cho nhiều cấp độ trẻ của đội tuyển Anh từ năm 2010. Cô là đội trưởng của đội tuyển U-17 tham dự giải vô địch bóng đá nữ U-17 châu Âu 2014. Đội xếp thứ 4 chung cuộc sau khi để thua U-17 Ý ở loạt sút luân lưu. Cô cũng nằm trong đội hình U-20 tham dự giải vô địch bóng đá nữ U-20 thế giới 2014. Tuy nhiên, đội không thể vào tứ kết khi không giành được bất cứ chiến thắng nào ở vòng bảng.

Vào tháng 11 năm 2017, Williamson được gọi lên đội tuyển quốc gia Anh. Cô ra mắt đội tuyển vào ngày 8 tháng 6 năm 2018 trong trận đấu với Nga.

Williamson đã cùng đội tuyển Anh vô địch SheBelieves Cup 2019 sau chiến thắng 3–0 trong trận chung kết với Nhật Bản.

Leah Williamson đã được chọn tham dự giải vô địch bóng đá nữ thế giới 2019. Cô có màn ra mắt ở World Cup khi vào sân từ ghế dự bị trong trận đấu với Cameroon vào ngày 23 tháng 6 năm 2019.

Williamson ghi bàn thắng quốc tế đầu tiên vào ngày 12 tháng 11 năm 2019, ấn định chiến thắng 3–2 cho Anh trong trận giao hữu với Cộng hòa Séc.

Vào ngày 5 tháng 4 năm 2022, Williamson được thông báo là đội trưởng chính thức của đội tuyển Anh.