Ngày 24 tháng 2 năm 1993, anh được ra sân lần đầu tiên dưới màu áo Hà Lan trong trận gặp Thổ Nhĩ Kỳ. Overmars thường xuyên được thi đấu cho Hà Lan cho tới kỳ World Cup 1994.

Ở World Cup 1998, anh thường xuyên được ra sân và đã giúp đội tuyển quốc gia Hà Lan đi đến trận bán kết, trận đó Hà Lan đã bị thua Brasil. Overmars là một trong những cầu thủ xuất sắc nhất ở giải đấu này, nhưng anh đã gặp chấn thương ở vòng 2 trong trận gặp Nam Tư (nay là Serbia). Điều này khiến cho Overmars phải nghỉ thi đấu trận kế tiếp, trận gặp Argentina. Tuy nhiên, Overmars đã vào sân thay người cuối trận đấu đó. Ngay lập tức, anh đã có một đường chuyền cực kỳ chính xác gần như dẫn tới bàn thắng cho Hà Lan. Nhưng chấn thương của Overmars đã trở nên tồi tệ hơn sau trận đấu này và anh đã phải ngồi ngoài sân ở trận đấu sau đó gặp Brasil. Đội Hà Lan đã thua ở những loạt đá penalty. Overmars đã cố gắng trở lại thi đấu trong trận cuối cùng, trận tranh giải ba với Croatia, nhưng Hà Lan đã bị thua 2-1.

Sau thất bại tại vòng loại World Cup 2002 của đội tuyển Hà Lan, giải đấu lớn cấp đội tuyển cuối cùng mà Overmars thi đấu là Euro 2004 tại Bồ Đào Nha. Tất cả các trận đấu của đội tuyển Hà Lan, Overmars đều được ra sân từ băng ghế dự bị. Khi anh vào sân, Hà Lan luôn là đội chơi tấn công và tạo được nhiều cơ hội ghi bàn. Tuy nhiên, Overmars đã không thể ngăn được sự thất bại của đội tuyển Hà Lan trước Bồ Đào Nha trong trận bán kết.

Anh đã tuyên bố giã từ sự nghiệp cầu thủ chuyên nghiệp vào ngày 26 tháng 7 năm 2004 vì chấn thương đầu gối.

Overmars đã 86 lần khoác áo đội tuyển Hà Lan (ghi 17 bàn thắng), chỉ sau Frank de Boer (112 lần) và Edwin van der Sar (89 lần).