Čech được gọi vào Đội tuyển bóng đá quốc gia Cộng hòa Séc từ năm 2002. Anh có được vị trí thủ môn chính thức từ vòng loại Euro 2004 cho đến nay. Euro 2004 tổ chức tại Bồ Đào Nha là giải đấu lớn đầu tiên trong sự nghiệp nhưng anh đã thi đấu xuất sắc và cùng đội tuyển Cộng hòa Séc vào đến bán kết và thua Hy Lạp 1-0 bằng luật bàn thắng bạc. Anh được đưa vào đội hình tiêu biểu của giải đấu nhờ thành tích trên. Năm 2005, anh được bầu chọn là cầu thủ Cộng hòa Séc xuất sắc nhất trong năm.[17]

Čech tiếp tục góp mặt cùng đội tuyển Cộng hòa Séc tại World Cup 2006 tổ chức tại Đức. Tại đây, Cộng hòa Séc đã thắng đội tuyển Mỹ 3-0 rồi để thua Ghana và Ý với cùng tỉ số 2-0 nên chung cuộc chỉ xếp hạng 3 trong bảng và bị loại ngay sau vòng đấu bảng World Cup 2006.

Ngày 21 tháng 8 2007, Petr Cech được bầu là cầu thủ Cộng hòa Séc xuất sắc nhất năm 2007 và đó cũng là lần thứ 3 liên tiếp thủ môn này nhận được danh hiệu cao quý trên.[18] Ngày 17 tháng 10 2007, Čech trở thành đội trưởng đội tuyển quốc gia trong trận đấu gặp đội tuyển Đức tại vòng loại Euro 2008. Trận đấu đó Séc đã thắng Đức 3-0 và giành quyền tham dự Euro 2008 tại Áo và Thụy Sĩ.

Tại Euro 2008, ngày 7 tháng 6, Čech thi đấu xuất sắc trong trận khai mạc gặp chủ nhà Thụy Sĩ với nhiều pha cứu nguy xuất sắc để bảo toàn khoảng cách 1 bàn mong manh, giúp Séc thắng 1-0. Nhưng trong trận đấu cuối cùng của Cộng hòa Séc tại vòng bảng gặp Thổ Nhĩ Kỳ, 1 sai lầm đáng trách của anh trong lúc lao ra bắt bóng đã tạo điều kiện cho tiền đạo người Thổ Nhĩ Kỳ Nihat Kahveci san bằng tỉ số 2-2 và chỉ vài phút sau đó Nihat đã ghi bàn thắng ấn định tỉ số 3-2. Với kết quả này, Čech và đội tuyển Cộng hòa Séc đành ngậm ngùi chia tay Euro 2008.

Tại Euro 2012, Čech thi đấu đầy đủ cả ba trận của bảng A để kết thúc với vị trí đầu bảng với 6 điểm, tuy nhiên anh và các đồng đội đã phải dừng bước ở tứ kết sau khi để thua Bồ Đào Nha với tỉ số 0-1 bằng bàn thắng duy nhất của tiền đạo Cristiano Ronaldo của tuyển Bồ Đào Nha.

Sau kì Euro 2016 không thành công của đội tuyển Cộng hòa Séc (xếp cuối bảng D với chỉ vỏn vẹn 1 điểm, hòa 1 và thua 2, chỉ ghi được 2 bàn thắng và bị thủng lưới 5 bàn), Petr Čech tuyên bố giã từ sự nghiệp thi đấu quốc tế ở đội tuyển quốc gia sau 14 năm gắn bó.