U19 Việt Nam

Tháng 9 năm 2013, Nguyễn Tuấn Anh được triệu tập vào đội tuyển U19 Việt Nam tham dự giải vô địch bóng đá U19 Đông Nam Á ở Indonesia. Nguyễn Tuấn Anh với tư cách là đội trưởng đội U19 Việt Nam đã thi đấu rất tốt và lọt tới trận chung kết; nhưng lại để thua đội chủ nhà trên loạt đấu luân lưu 11m và giành vị trí á quân[22].

Tháng 10 năm 2013, Nguyễn Tuấn Anh cùng với các cầu thủ U19 Việt Nam tham dự vòng loại U19 châu Á 2014 tại Malaysia. Anh cùng với các cầu thủ U19 Việt Nam xuất sắc dẫn đầu bảng trong đó có thành tích ấn tượng nhất là trận thắng 5–1 trước đội U19 Australia, để góp mặt tại vòng chung kết U19 châu Á 2014 tổ chức tại Myanmar.[23].Tháng 1 năm 2014 Nguyễn Tuấn Anh cùng với các cầu thủ U19 Việt Nam tham dự Cúp Nutifood tại Thành phố Hồ Chí Minh.

U23 Việt Nam

Ngày 24 tháng 2 năm 2015 Tuấn Anh được triệu tập vào đội hình U23 Việt Nam tham dự vòng loại U-23 châu Á Ngày 9 tháng 3 năm 2015, Tuấn Anh thi đấu trận đầu tiên cho U23 Việt Nam trong trận thắng 1-0 trước U23 Indonesia. Tuấn Anh thi đấu trận mở màn trong chiến thắng 2–1 trước chủ nhà Malaysia. Anh gặp chấn thương trong buổi tập trước trận đấu với Ma Cao và chia tay giải.

Ngày 5 tháng 5 năm 2015 Tuấn Anh tập trung đợt 2 với danh sách sơ bộ 30 cầu thủ trong đội U23 thi đấu tại SEA Games 28 tại Singapore. Đội sẽ có trận giao hữu với U23 Hàn Quốc vào ngày 9 tháng 5.

Ngày 9 tháng 5 năm 2015 Tuấn Anh được xếp thi đấu dự bị trong trận đấu giao hữu với U23 Hàn Quốc, tuy nhiên không được thi đấu. Ngày 19 tháng 5 năm 2015, Tuấn Anh chính thức chia tay SEA Games 28 vì chấn thương không hồi phục.

Tháng 1 năm 2016 HLV Miura Toshiya quyết định điền tên Tuấn Anh vào danh sách 23 cầu thủ đăng ký thi đấu tại Vòng chung kết giải bóng đá U-23 châu Á 2016 tại Qatar.[24] Ở lượt trận đấu cuối cùng của vòng bảng gặp đội tuyển U-23 Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất, anh đã ghi bàn thắng nâng tỉ số lên thành 2-1 cho đội tuyển U-2 Việt Nam nhưng chung cuộc U-23 Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất lội ngược dòng thắng lại với tỉ số 3-2. Đội tuyển U-23 Việt Nam rời giải đấu sau 3 trận toàn thua ở vòng bảng với 0 điểm, ghi được 3 bàn thắng và bị thủng lưới 8 bàn.

Ngày 14 tháng 8 năm 2017, Tuấn Anh có lần đầu tiên góp mặt tại SEA Games 29 trong trận thắng 4-0 trước U23 Đông Timor. Anh thi đấu đủ 5 trận đấu tại giải, tuy nhiên đội tuyển không thể vượt qua được vòng bảng.

Tháng 12 năm 2017, Tuấn Anh được gọi lên đội tuyển U-23 Việt Nam để chuẩn bị cho giải giao hữu M-150 Cup 2017 tại Thái Lan và VCK U-23 châu Á 2018 tại Trung Quốc. Tuy nhiên, anh gặp phải chấn thương ở gối và cơ háng và chia tay với hai giải đấu cuối cùng anh có thể tham dự ở cấp độ đội trẻ, nơi mà U-23 Việt Nam giành HCĐ tại M-150 Cup 2017 và ngôi Á quân tại VCK U-23 châu Á 2018.

Việt Nam

Ngày 24 tháng 3 năm 2016, Tuấn Anh có trận đấu đầu tiên cho đội tuyển Việt Nam gặp đội tuyển Trung Hoa Đài Bắc trong khuôn khổ Vòng loại giải vô địch bóng đá thế giới 2018 khu vực châu Á với chiến thắng 4-1. Anh có bàn thắng đầu tiên cho đội tuyển Việt Nam trong trận thắng 5-2 trước đội tuyển Triều Tiên trong trận giao hữu ngày 6 tháng 10 năm 2016.

Ngày 27 tháng 5 năm 2019, anh có tên trong danh sách triệu tập cho giải King's Cup 2019 diễn ra tại Buriram, Thái Lan.[25] Ngày 5 tháng 6 năm 2019, anh có trận thi đấu trong trận thắng đôi tuyển Thái Lan tại giải King's Cup 2019 sau hơn hai năm không lên tuyển vì chấn thương và ở đây cùng đội tuyển giành Á quân của giải đấu.

Ngày 22 tháng 8 năm 2019, Tuấn Anh có tên trong danh sách sơ bộ 27 cầu thủ của đội tuyển Việt Nam thi đấu với đội tuyển Thái Lan trong khuôn khổ Vòng loại giải vô địch bóng đá thế giới 2022 khu vực châu Á.[26]. Trong trận đấu với Đội tuyển bóng đá quốc gia Thái Lan ngày 5 tháng 9 năm 2019, Tuấn Anh được thi đấu trọn vẹn 90 phút và nhận được những lời khen tích cực sau màn trình diễn tốt. Trong chiến thắng 1-0 của Việt Nam trước UAE tối 14 tháng 11 năm 2019, Tuấn Anh được đánh giá là cầu thủ hay nhất trận[27].

Năm 2019 đánh dấu sự trở lại của Tuấn Anh với đội tuyển Quốc gia Việt Nam và những gì anh đang thể hiện xứng đáng là một thủ lĩnh nơi tuyến giữa với sự mạnh mẽ, lì lợm và tư duy thông minh, tất cả đang chờ đợi sự tỏa sáng của một nghệ sĩ nơi sân cỏ mang trong mình đôi chân "pha lê"[28].