Márquez có trận đấu đầu tiên cho Đội tuyển bóng đá quốc gia Mexico vào ngày 5 tháng 2 năm 1997 trong trận thắng 3-1 trước Ecuador nhưng sau đó đã không được triệu tập vào đội tuyển tham dự World Cup 1998.

Márquez đã cùng đội tuyển Mexico giành cúp vô địch Confederations Cup 1999. Tại World Cup 2002 ở Nhật Bản và Hàn Quốc, anh đã được huấn luyện viên Javier Aguirre chọn làm đội trưởng đội tuyển khi mới 23 tuổi. Tại giải đấu này, Mexico phải dừng bước ở vòng 16 đội khi thua đội tuyển Mỹ 2-0. Trong trận này, ở phút 86, Marquez còn bị phạt thẻ đỏ do phạm lỗi ác ý đối với Cobi Jones.

Márquez sau đó tiếp tục được huấn luyện viên Ricardo Lavolpe chọn làm đội trưởng của đội tuyển Mexico tại World Cup 2006 tổ chức tại Đức. Tại giải đấu này, anh đã ghi bàn mở tỉ số ở ngay phút thứ 5 trong trận thua 2-1 trước Argentina tại vòng 16 đội. Márquez sau đó còn tiếp tục tham dự CONCACAF Gold Cup 2007 và Copa América 2007.

Tại World Cup 2010, Márquez đã kịp trở lại tập luyện sau chấn thương để có thể kịp ra sân trong trận khai mạc với chủ nhà Nam Phi. Anh cũng trở thành người ghi bàn đầu tiên cho tuyển Mexico tại giải đấu này với bàn gỡ hoà 1-1 ở phút 79 từ đường chuyền của Andrés Guardado.[22] Trong chiến thắng 2-0 sau đó trước đội tuyển Pháp, anh cũng là người đã kiến thiết cho tiền đạo Javier Hernández Balcázar ghi bàn mở tỉ số của trận đấu.[23]

Ngày 29 tháng 3 năm 2011, Márquez trở thành cầu thủ thứ tám trong lịch sử của Mexico đạt đến ngưỡng 100 lần khoác áo đội tuyển quốc gia trong trận hòa 1-1 giữa Mexico và Venezuela.[24] Anh góp một bàn trong chiến thắng 5-1 của Mexico trước New Zealand tại trận play-off liên lục địa giành quyền tham dự World Cup 2014.[25]

Tại World Cup 2014 tổ chức ở Brasil, dù đã 35 tuổi, anh vẫn có tên trong danh sách chính thức 23 cầu thủ Mexico tham dự giải đấu này.[26] Trong trận Mexico thắng Cameroon 1 - 0 tại trận mở màn của Mexico tại Giải vô địch bóng đá thế giới 2014, Márquez trở thành cầu thủ đầu tiên đeo băng đội trưởng tại bốn vòng chung kết World Cup khác nhau.[27][28]

Trong trận cuối cùng của vòng bảng với Croatia, Márquez đã có cú đánh đầu hiểm hóc mở tỉ số và chung cuộc Mexico đã thắng Croatia 3-1 để lần thứ sáu liên tiếp lọt vào vòng đấu loại trực tiếp của World Cup.[29] Bàn thắng này cũng giúp Márquez trở thành cầu thủ Mexico đầu tiên ghi bàn tại ba kỳ World Cup liên tiếp và là cầu thủ Mexico thứ hai sau Cuauhtémoc Blanco ghi bàn tại ba kỳ World Cup.[30] Anh được FIFA bầu chọn là Cầu thủ xuất sắc nhất trận.[31]

Đến trận đấu vòng 1/8 với Hà Lan, dù thi đấu xuất sắc trong phần lớn thời gian trận đấu, anh đã có pha va phạm trong vòng cấm đối với Arjen Robben dẫn đến quả đá phạt đền mà từ đó Klaas-Jan Huntelaar đã ấn định chiến thắng 2-1 cho Hà Lan. Đây cũng là lần thứ sáu liên tiếp Mexico bị loại ở vòng 1/8.[32]

Sau kì World Cup 2018 đáng thất vọng của México (lần thứ 6 liên tiếp dừng bước ở vòng 16 đội), Rafael Márquez tuyên bố kết thúc sự nghiệp thi đấu quốc tế sau 21 năm gắn bó, tổng cộng anh đã thi đấu 148 trận và ghi được 18 bàn thắng.