Hoàng Thịnh có lần đầu tiên được triệu tập lên đội tuyển quốc gia Việt Nam vào năm 2014, dưới thời huấn luyện viên Toshiya Miura. Giải đấu lớn anh tham dự trong năm này là AFF Suzuki Cup 2014.[8]

Năm 2018, anh có tên trong danh sách sơ bộ của đội tuyển chuẩn bị cho AFF Cup 2018, tuy nhiên không có tên trong đội hình sau cùng thi đấu tại giải.[9][10] Năm 2019, anh cũng được triệu tập vào  đội dự tuyển chuẩn bị cho vòng loại World Cup 2022, nhưng bị loại vì đau mắt.[11][12]