Năm 2007, Trọng Hoàng là cầu thủ trẻ nhất Tuyển VN có tên trong kế hoạch chuẩn bị của huấn luyện viên Alfred Riedl cho SEA Games 24. Nhưng vào phút cuối, anh đã phải xin rời đội tuyển do phải thi tốt nghiệp THPT. Tháng 10 năm 2007, giải U21 quốc tế báo Thanh Niên khởi tranh tại TP Nha Trang- Khánh Hòa, quy tụ các đội tuyển U21 Thái Lan, U21 Myanmar, U21 Singapore và U21 Việt Nam. Tại giải này, bộ ba Trọng Hoàng, Văn Bình, Đình Hiệp đã làm mưa,làm gió, đưa U21 Việt Nam giành cúp vô địch.

Tháng 4/2009 Trọng Hoàng được huấn luyện viên Calisto gọi vào Tuyển VN. Ngày 15/05/2009 lần đầu tiên anh được ra sân trong màu áo tuyển Quốc gia thi đấu giao hữu với Olympiakos. Tháng 6/2009, Tuyển VN có chuyến thi đấu giao hữu với Tuyển chủ nhà Kuwait trong tình trạng vắng nhiều trụ cột do chấn thương, Trọng Hoàng ghi bàn duy nhất giúp VN thắng Kuwait 1-0. Cũng năm này, huấn luyện viên Henrique Calisto gọi Trọng Hoàng và Thành Lương tăng cường cho đội tuyển U23 tham dự SEA Games 25 diễn ra tại Lào. Anh đã ghi bàn ở trận đấu thứ ba của giải gặp Malaysia. Tuy vậy chấn thương mà anh gặp phải ở trận gặp Campuchia khiến anh không thể có mặt trong trận bán kết. Trọng Hoàng được vào sân thay người trong trận chung kết nhưng ĐT Việt Nam đã không vượt qua được Malaysia và chỉ giành được tấm huy chương bạc. Mặc dù thất bại, nhưng với những gì thể hiện được trong màu áo U-23 Việt Nam, Trọng Hoàng là một trong số ít cầu thủ tiếp tục được gọi lên thi đấu cho đội tuyển quốc gia.

Năm 2010, Trọng Hoàng cùng các đồng đội tham dự Á vận hội 2010 tại Quảng Châu. Ở giải này anh đã ghi 2 bàn vào lưới Turkmenistan và Bahrain giúp Việt Nam lần đầu tiên vượt qua vòng đấu bảng ở một kỳ Á Vận Hội.Ở vòng đấu loại trực tiếp, Olimpic Việt Nam đã thất bại 0-2 trước CHDCND Triều Tiên trong tình thế chỉ còn thi đấu với 9 người trên sân trong phần lớn thời gian thi đấu. Trọng Hoàng sau đó được lựa chọn vào ĐTQG tham dự AFF Suzuki Cup 2010. ở trận đấu đầu tiên, anh đã ghi 2 bàn vào lưới Myanma sau khi vào sân thay người ở phút 72. Trận đấu kết thúc với chiến thắng 7-1 của Việt Nam.[2]

Ngày 28 tháng 7 năm 2011, trong trận đấu lượt về Vòng loại World Cup 2014 gặp Qatar trên sân vận động Mỹ Đình, Trọng Hoàng đã ghi 1 bàn thắng gỡ hòa cho ĐTVN, trận đấu kết thúc với chiến thắng 2-1 nghiêng về phía Việt Nam.

Ngày 23 tháng 11 năm 2016, trong khuôn khổ lượt trận thứ hai của vòng bảng AFF Cup 2016 gặp đối thủ Malaysia, Trọng Hoàng ghi bàn thắng duy nhất ở những phút cuối của hiệp 2, giúp Việt Nam vượt qua đối thủ với tỉ số tối thiểu 1-0. Tuy nhiên, đội dừng bước tại bán kết sau khi thua Indonesia 4-3 sau 2 lượt trận

Trọng Hoàng là 1 trong 23 cầu thủ tham dự AFF Suzuki Cup 2018. Tại giải đấu này, do anh đã được huấn luyện viên Park Hang-seo xếp đá ở vị trí mới khá lạ lẫm với anh: Hậu vệ cánh phải. Việc ông Park Hang-seo phải xếp Trọng Hoàng đá vị trí hậu vệ cánh phải là do 2 cầu thủ đảm nhận vị trí này là Vũ Văn Thanh và Phạm Xuân Mạnh đều bị chấn thương và không kịp tham dự giải. Tuy nhiên, anh đã làm rất tốt nhiệm vụ của mình và góp công giúp đội tuyển vô địch giải đấu.

Anh tiếp tục góp mặt trong danh sách 23 cầu thủ tham dự Cúp bóng đá châu Á 2019. Tại trận đấu vòng 16 đội với Jordan, anh kiến tạo cho Nguyễn Công Phượng gỡ hòa 1-1 ở hiệp 2, qua đó hạ Jordan 4-2 sau loạt đấu súng, giúp đội tuyển có lần 2 vào đến tứ kết giải, sau đó thua Nhật Bản 0-1. Trong danh sách tập trung đội tuyển quốc gia vào tháng 9/2019 để chuẩn bị cho trận đấu vòng loại World Cup 2022 gặp Malaysia vào ngày 10/10 tới, Trọng Hoàng là cầu thủ có số lần khoác áo đội tuyển quốc gia nhiều nhất (50 trận, 10 bàn thắng)[3].

Tại Sea Games 30 tại Philippines, Hoàng cùng Đỗ Hùng Dũng là 2 cầu thủ quá tuổi của U22 Việt Nam dự giải, anh cùng cả đội có lần đầu vô địch sau 60 năm chờ đợi sau khi hạ Indonesia 3-0 tại trận chung kết.