Những năm đầu

Năm 2002, Công Vinh lần đầu được gọi vào đội U-18 quốc gia Việt Nam dưới sự dẫn dắt của huấn luyện viên Nguyễn Văn Thịnh. Cũng trong năm đó, anh được triệu tập vào đội U-20 và còn được đeo băng đội trưởng. Năm 2003, thành công đến với Vinh khi anh được huấn luyện viên Alfred Riedl gọi bổ sung vào danh sách đội tuyển U-23 tham dự SEA Games 22. Tuy nhiên, giải đấu này Vinh không có cơ hội ra sân nhiều khi anh chỉ được chơi 15 phút cuối trận gặp Thái Lan, 20 phút trận gặp Indonesia, 90 phút trận gặp Lào (và ghi bàn duy nhất). Ở giải đấu này, anh chỉ là sự lựa chọn số 4 sau Phạm Văn Quyến, Phan Thanh Bình và Hoàng Phúc Lâm. Sau khi huấn luyện viên Edson Tavares tới dẫn dắt đội tuyển Việt Nam, Công Vinh lập tức có vị trí trong đội tuyển sau những màn trình diễn thành công trong màu áo câu lạc bộ. Ở Giải vô địch bóng đá Đông Nam Á 2004, Công Vinh đã ghi được 4 bàn thắng cho đội tuyển Việt Nam nhưng Việt Nam đã phải dừng bước ngay sau vòng bảng khi chỉ đứng thứ ba bảng A sau Indonesia và Singapore. Sau SEA Games 23, với việc các trụ cột như Lê Quốc Vượng, Phạm Văn Quyến,... bị treo giò vì bán độ, Công Vinh lập tức có vị trí vững chắc trên hàng công đội tuyển. Ở Cúp bóng đá châu Á 2007, trong trận mở màn của đội tuyển quốc gia Việt Nam gặp đội tuyển bóng đá quốc gia UAE, Công Vinh thực hiện cúp lốp bóng kĩ thuật qua đầu thủ môn đối phương để ấn định chiến thắng 2-0 cho Việt Nam [35].

AFF Suzuki Cup 2008

Ở AFF Suzuki Cup 2008, Công Vinh được huấn luyện viên Henrique Calisto triệu tập vào danh sách đội tuyển tham dự giải đấu. Ở các trận vòng đấu bảng, Công Vinh chơi không thật sự ấn tượng, không ghi được bàn nào. Nhưng ở trận bán kết gặp Singapore lượt về ở Singapore, Công Vinh thi đấu rất ấn tượng, là người thực hiện quả chuyền quyết định để Nguyễn Quang Hải ghi bàn duy nhất của trận đấu ấn định tổng tỉ số 1-0 sau hai lượt trận và đưa Việt Nam vào chung kết gặp Thái Lan. Ở trận chung kết lượt đi ở Thái Lan, Công Vinh ghi bàn thắng nâng tỉ số lên 2-0 cho đội tuyển Việt Nam sau khi Nguyễn Vũ Phong ghi bàn mở tỉ số. Trận đấu kết thúc với tỉ số 2-1 cho Việt Nam [36]. Trong trận lượt về thi đấu ở Việt Nam, khi Việt Nam đang bị trước dẫn 1 - 0 do bàn thắng của Dangda ở hiệp một (phút 21), Công Vinh thực hiện cú đánh đầu ngược đẹp mắt tung lưới Thái Lan từ một quả đá phạt hàng rào của Nguyễn Minh Phương vào đúng giây cuối cùng của thời gian đá bù giờ quá 3 phút ở hiệp hai (phút 90 + 4), giúp đội tuyển Việt Nam đăng quang ngôi vô địch lần đầu tiên với tổng tỉ số sau hai lượt trận là 3-2.[37]

AFF Suzuki Cup 2010

Trở về từ Bồ Đào Nha sau khi chữa trị chấn thương dây chằng đầu gối, Công Vinh vẫn được huấn luyện viên Calisto triệu tập vào đội tuyển Việt Nam. Tuy vậy, sau một thời gian tập trung cùng đội tuyển, Công Vinh đã phải nói lời chia tay do chấn thương của anh vẫn chưa hoàn toàn bình phục. Về lý do xin rút lui, anh cho biết: "Tôi không thể kịp bình phục để chơi bóng hiệu quả và nếu vào sân, tôi sẽ là gánh nặng cho đồng đội. (...) Một điều tế nhị là tôi hay đi tập thêm, về muộn nên nhiều hôm anh em vẫn đợi cơm. Thật là khó nghĩ".

Quay lại đội tuyển

Sau một thời gian dài vắng mặt vì chấn thương, Công Vinh đã được triệu tập trở lại đội tuyển quốc gia để chuẩn bị cho vòng sơ loại World Cup 2014. Trong trận đấu lượt đi trên sân Thông Nhất, Công Vinh đã lập 1 Hat-trick ngay trong hiệp một giúp cho Đội tuyển Việt Nam giành chiến thắng 6-0. Ở trận lượt về trên sân vận động Ma Cao, anh tiếp tục ghi thêm 4 bàn giúp Việt Nam giành chiến thắng 7-1 và [38] lọt vào vòng loại thứ 2 giải vô địch bóng đá thế giới 2014.

Anh trở lại đội tuyển Việt Nam để thi đấu gặp Arsenal sau AFF Suzuki Cup 2012.

AFF Suzuki Cup 2012

Anh được huấn luyện viên Phan Thanh Hùng triệu tập để tham dự AFF Suzuki Cup 2012 tổ chức tại Malaysia và Thái Lan. Tuy nhiên, đội tuyển Việt Nam đã phải dừng bước ngay tại vòng bảng với chỉ 1 điểm, hòa Myanmar, thua Philippines và Thái Lan.

AFF Suzuki Cup 2014

Ngày 22 tháng 8 năm 2014, Lê Công Vinh được huấn luyện viên Miura Toshiya triệu tập để tham dự AFF Suzuki Cup 2014. Tại giải đấu này, anh đã ghi được 4 bàn thắng trong sự nghiệp của mình, trong đó có 1 bàn vào lưới Indonesia, 1 bàn vào lưới Lào và 1 cú đúp vào lưới Malaysia và trở thành cầu thủ Việt Nam có tổng bàn thắng ghi tại các kỳ AFF Cup đứng thứ 2 với 13 bàn (Sau Lê Huỳnh Đức với 14 bàn) - Tính cả khi giải đấu mang tên Tiger Cup. Tuy nhiên, đội tuyển Việt Nam đã phải dừng bước ở bán kết AFF Cup 2014 sau khi để thua Malaysia với tỉ số 2-4 ở trận bán kết lượt về (Malaysia thắng chung cuộc 5-4 sau hai lượt trận).

AFF Suzuki Cup 2016

Ngày 19 tháng 11 năm 2016, Lê Công Vinh được huấn luyện viên Nguyễn Hữu Thắng triệu tập để tham dự AFF Suzuki Cup 2016, đồng thời đây là giải đấu cuối cùng trong sự nghiệp của anh. Trong trận đấu mở màn của bảng B gặp đội chủ nhà Myanmar, anh đã đánh dấu bàn thắng thứ 50 trong sự nghiệp của mình, giúp đội tuyển Việt Nam vượt qua đối thủ với tỉ số 2-1. Ngày 26 tháng 11 năm 2016, trong trận đấu cuối cùng của bảng B gặp đối thủ Campuchia, Lê Công Vinh ghi bàn thắng mở tỉ số trận đấu, giúp Việt Nam đánh bại đối thủ với tỉ số 2-1. Kết quả giúp đội tuyển Việt Nam củng cố vị trí nhất bảng B với 3 trận toàn thắng và lọt vào bán kết gặp đội tuyển Indonesia.

Trận đấu cuối cùng trong màu áo đội tuyển quốc gia của Lê Công Vinh là trận gặp đội tuyển Indonesia ở trận bán kết lượt về AFF Cup 2016 vào ngày 7 tháng 12 năm 2016, trận đấu mà đội tuyển Việt Nam hòa đối thủ 2-2 trong suốt 120 phút thi đấu chính thức, tuy nhiên đội tuyển Việt Nam lần thứ hai liên tiếp phải dừng bước ở bán kết sau khi để thua chung cuộc với tổng tỉ số 3-4 sau lượt trận (lượt đi Việt Nam thua Indonesia 1-2). Sau giải đấu đó, Công Vinh chính thức giã từ sự nghiệp thi đấu quốc tế sau 12 năm gắn bó, tổng cộng anh đã thi đấu 85 trận và ghi được 51 bàn thắng.