Götze từng là thành viên của đội tuyển U-15, U-16 Đức. Năm 2009, anh là đội trưởng đội tuyển U-17 Đức tham dự Giải vô địch bóng đá U-17 châu Âu.[49] U-17 Đức đã giành chức vô địch, trong đó Götze ghi được 1 bàn thắng trong chiến thắng 4-0 trước U-17 Anh.[50] Cũng trong năm này, anh lại cùng U-17 Đức tham dự Giải vô địch U-17 thế giới ở Nigeria. Đội tuyển U-17 Đức bị loại ở vòng 1/16 bởi U-17 Thụy Sĩ, riêng Götze có mặt trong cả bốn trận và ghi được 3 bàn.[51]

Đầu tháng 9 năm 2010, Götze được triệu tập vào đội tuyển U-21 Đức tham dự hai trận đấu vòng loại Giải vô địch U-21 châu Âu 2011 với U-21 Cộng hòa Séc và U-21 Bắc Ireland.[52] Đầu tháng 11 năm 2010, anh được huấn luyện viên trưởng đội tuyển Đức Joachim Löw triệu tập vào tuyển Đức cho trận giao hữu gặp Thụy Điển vào ngày 17 tháng 11.[53] Götze và André Schürrle, cầu thủ được triệu tập cùng đợt với anh, là những cầu thủ đội tuyển Đức đầu tiên ra đời sau khi hai miền nước Đức đã thống nhất.[54][55] Anh được vào sân trong trận gặp Thụy Điển ở phút 78 thay cho Kevin Großkreutz[56] và đã trở thành cầu thủ trẻ nhất sau 56 năm khoác áo tuyển Đức kể từ sau khi Uwe Seeler ra mắt tuyển quốc gia ngày 16 tháng 10 năm 1954.[57]

Bàn thắng đầu tiên của Götze cho đội tuyển Đức đến vào ngày 10 tháng 8 năm 2011 trong trận giao hữu thắng Brasil 3-2.[58] Bàn thắng này cũng giúp cho anh trở thành cầu thủ trẻ nhất ghi bàn cho đội tuyển quốc gia Đức giai đoạn sau chiến tranh (19 tuổi, 68 ngày) cùng với Klaus Stürmer, người đã ghi bàn vào lưới đội tuyển Pháp ngày 16 tháng 10 năm 1954.[59]

Tại vòng loại Euro 2012, Götze có được một bàn thắng trong trận thắng đội tuyển Áo 6-2.[60] Ngày 29 tháng 5 năm 2012, anh chính thức có tên trong danh sách 23 cầu thủ Đức tham dự Euro 2012 tại Ba Lan và Ukraine.[61] Tại giải đấu này, anh chỉ được ra sân duy nhất một trận, trong chiến thắng 4-2 trước Hy Lạp từ băng ghế dự bị.[62]

World Cup 2014

Götze ghi được bốn bàn thắng tại vòng loại World Cup 2014 và vào tháng 6 năm 2014, anh được triệu tập vào đội tuyển Đức tham dự World Cup 2014 tại Brasil.[63] Anh được ra sân chính thức trong trận đấu đầu tiên của đội tuyển Đức tại bảng đấu với Bồ Đào Nha và đã mang về quả phạt đền giúp cho Thomas Müller mở tỉ số cho đội tuyển Đức. Chung cuộc Đức giành chiến thắng 4-0.[64] Đến trận đấu thứ hai hòa Ghana, chính anh là người đã ghi bàn thắng mở tỉ số cho đội tuyển Đức.[65] Dù chỉ góp mặt 69 phút trên sân, anh vẫn được FIFA bầu chọn là Cầu thủ xuất sắc nhất trận.[66] Tại giải đấu này, anh ra sân 6/7 trận của đội tuyển Đức nhưng chỉ duy nhất trận mở màn gặp Bồ Đào Nha là anh được chơi trọn 90 phút, phần còn lại, Goetze hoặc phải vào sân từ ghế dự bị, hoặc bị thay ra nửa chừng.[67]

Trong trận chung kết World Cup 2014, Götze được vào sân thay cho Miroslav Klose ở phút thứ 88 của trận đấu. Đến phút 113, sau khi nhận đường chuyền bên cánh của André Schürrle, anh đã có pha hứng bóng bằng ngực rồi tung cú dứt điểm hạ gục thủ môn Sergio Romero ghi bàn thắng duy nhất của trận đấu, đem về danh hiệu vô địch World Cup thứ tư cho đội tuyển Đức sau 24 năm chờ đợi, đồng thời Đức đã trở thành đội châu Âu đầu tiên giành cúp tại Nam Mỹ.

Tuy nhiên, anh không được huấn luyện viên Joachim Low triệu tập cho kì World Cup 2018 trên đất Nga do phong độ sa sút.[68][69]

Euro 2016

Tại vòng loại Euro 2016, Götze có được ba pha lập công, trong đó có cú đúp trong trận đấu với Ba Lan.[70] Anh là một trong 23 cầu thủ Đức được triệu tập tham dự giải đấu tại Pháp.[71] Tại giải đấu này, Götze có mặt trong đội hình xuất phát ở cả ba trận vòng bảng nhưng đều bị thay ra giữa chừng do thi đấu không tốt[72] và sau đó được vào sân thay người trong trận bán kết thua chủ nhà Pháp 2-0.