Hummels được gọi vào đội tuyển U21 Đức tại giải U21 châu Âu; và ra mắt trong trận thắng 4–0 trước đội tuyển U21 Anh.

Năm 2014, anh cùng đội tuyển Đức giành chức vô địch World Cup 2014 sau khi vượt qua Argentina ở trận chung kết trên đất Brazil.

Anh tiếp tục được triệu tập tham dự World Cup 2018 diễn ra tại nước Nga, tuy nhiên đội tuyển Đức trở thành nhà cựu vô địch sau khi thất bại 0-2 trước Hàn Quốc ở lượt trận cuối vòng bảng.