Lewandowski đã có ba lần ra sân cho đội tuyển U-21 Ba Lan, trong các trận đấu giao hữu với các đội U-21 Anh, U-21 Belarus và U-21 Phần Lan.

Ngày 10 tháng 9 năm 2008, anh có trận đấu đầu tiên cho Đội tuyển bóng đá quốc gia Ba Lan, ba tuần sau sinh nhật lần thứ 20 của mình trong trận đấu với San Marino tại vòng loại World Cup 2010. Mười hai phút sau khi vào sân từ ghế dự bị, anh đã có được bàn thắng đầu tiên cho đội tuyển.[77]

Trong trận khai mạc vòng chung kết Euro 2012 tổ chức ngay tại quê nhà với tuyển Hy Lạp, anh đã ghi bàn thắng đầu tiên của giải đấu này bằng một pha đánh đầu. Chung cuộc Ba Lan và Hy Lạp hòa nhau với tỉ số 1-1.[78] Anh tiếp tục ra sân trong hai trận còn lại của vòng bảng với Nga và Cộng hòa Séc, tuy nhiên, đội tuyển Ba Lan đã phải dừng chân sau vòng bảng với chỉ 2 điểm, xếp cuối bảng A.[79][80]

Ngày 26 tháng 3 năm 2013, trong khuôn khổ lượt trận thứ 7 của vòng loại World Cup 2014 khu vực châu Âu, Lewandowski ghi được hai bàn thắng trên chấm phạt đền trong chiến thắng 5-0 trước San Marino và lượt trận thứ 9, anh chỉ có được một bàn thắng trong trận hòa 1-1 trước Montenegro.[81] Ba Lan không thể góp mặt ở World Cup 2014 do chỉ xếp thứ 4 chung cuộc với 13 điểm, 3 trận thắng, 4 trận hòa và 3 trận thua và cá nhân Lewandowski chỉ có hai bàn thắng sau vòng loại.

Euro 2016

Vào ngày 7 tháng 9 năm 2014, trong trận đấu mở màn vòng loại Euro 2016, Lewandowski đã ghi đến bốn bàn thắng, giúp Ba Lan đè bẹp đội bóng yếu nhất bảng D - Gibraltar với tỉ số 7–0.[82] Vào ngày 13 tháng 6 năm 2015, anh đã lập một cú hat-trick giúp Ba Lan giành chiến thắng 4–0 trước Gruzia, với 3 bàn thắng ghi được chỉ trong vòng 4 phút.[83] Ngày 4 tháng 9, trong trận gặp Đức ở lượt trận thứ 7, anh chỉ ghi được một bàn thắng trong trận Ba Lan thua Đức với tỉ số 1–3, kết quả này khiến cho Ba Lan bị mất ngôi đầu bảng về tay đối thủ.[84] Ba ngày sau, anh lập cú đúp trong trận thắng hủy diệt Gibraltar 8–1, giúp Ba Lan tiến gần hơn đến cơ hội tham dự Euro 2016.[85]

Ngày 8 tháng 10, ở lượt trận thứ 9, Lewandowski tiếp tục tỏa sáng với một cú đúp trong trận hòa Scotland với tỉ số 2–2, giúp Ba Lan thu hẹp khoảng cách với đội đầu bảng Đức còn đúng 1 điểm, bằng điểm với Cộng hòa Ireland nhưng Ba Lan xếp trên Ireland do hơn về hiệu số bất phân thắng bại.[86] Ba ngày sau, ở lượt đấu cuối cùng gặp Ireland, anh đóng góp một bàn thắng trong trận thắng Ireland 2–1 ngay trên sân nhà, qua đó giúp Ba Lan đứng vị trí thứ hai của bảng D với 21 điểm, kém Đức 1 điểm và chính thức giành quyền tham dự Euro 2016[87], đồng thời cùng với David Healy của Bắc Ireland trở thành cầu thủ ghi bàn nhiều nhất vòng loại với 13 bàn thắng.[88]

Lewandowski là một trong 23 cầu thủ Ba Lan có tên trong danh sách chính thức tham dự Euro 2016 tại Pháp.[89] Trong ba trận đấu tại vòng bảng với Bắc Ireland, Đức và Ukraina, Lewandowski chơi lùi sâu và thường nhận bóng từ khu vực giữa sân nên không có bất kỳ cơ hội nào uy hiếp khung thành đối phương.[90] Phải đến trận đấu gặp Thụy Sĩ tại vòng 1/16, anh mới có cú sút trúng đích đầu tiên nhưng không thành bàn. Trong loạt sút luân lưu sau đó, anh là người thực hiện lượt sút đầu tiên cho Ba Lan và đã thành công.[91]

Ngày 30 tháng 6 năm 2016, trong trận đấu tứ kết Euro 2016 gặp đội tuyển Bồ Đào Nha, Lewandowski đã có bàn thắng đầu tiên ở giải đấu này ngay ở phút thứ hai của trận đấu (bàn thắng nhanh thứ nhì trong lịch sử các vòng chung kết Euro[92]), nhưng đến phút thứ 33 thì tiền vệ Renato Sanches ghi bàn thắng gỡ hòa 1–1 cho đội tuyển Bồ Đào Nha và tỉ số được giữ nguyên đến hết 120 phút thi đấu. Đội tuyển Ba Lan đã phải dừng bước ở tứ kết sau khi để thua Bồ Đào Nha 3–5 trên chấm luân lưu 11m, trong đó Lewandowski thực hiện thành công lượt sút của mình.[93] Vào thời điểm Ba Lan bị loại, Lewandowski là cầu thủ bị phạm lỗi nhiều nhất tại giải đấu.[93]

World Cup 2018

Ngày 4 tháng 9 năm 2016, trong lượt trận đầu tiên của vòng loại World Cup 2018 khu vực châu Âu, Lewandowski là người ghi bàn thắng nâng tỉ số lên thành 2–0 bằng cú đá penalty, tuy nhiên Ba Lan lại để Kazakhstan cầm hòa với tỉ số 2–2.[94] Ngày 7 tháng 10, ở lượt trận thứ hai gặp đối thủ Đan Mạch, anh đã lập một cú hat-trick giúp Ba Lan giành chiến thắng trước Đan Mạch với tỉ số 3–2 dù ở hiệp 2 Đan Mạch đã gỡ lại 2 bàn.[95] Ba ngày sau, anh đã ghi bàn thắng ở những phút bù giờ cuối cùng giúp Ba Lan vượt qua đối thủ yếu Armenia với tỉ số 2–1.[96]

Ngày 11 tháng 11 năm 2016, ở lượt trận thứ tư của vòng loại World Cup 2018, Lewandowski đã lập một cú đúp trong chiến thắng 3–0 của Ba Lan trước România tại sân khách. Cũng trong trận đấu này, ở những phút gần cuối hiệp 2, anh bị dính phải những pháo sáng từ phía khán đài, rất may cho anh là các bác sĩ kết luận rằng anh chỉ bị choáng nhẹ và có thể tiếp tục thi đấu.[97] Ngày 27 tháng 3 năm 2017, trong chuyến làm khách trên sân của Montenegro, Lewandowski đã ghi bàn thắng mở tỉ số trận đấu ở phút thứ 40 của hiệp 1, chung cuộc Ba Lan vượt qua đối thủ với tỉ số 2–1. Ngày 10 tháng 6, Lewandowski tiếp tục lập một cú hat-trick trong chiến thắng trước đối thủ România với tỉ số 3–1 trên sân nhà.[98] Ngày 4 tháng 9, anh ghi bàn thắng cuối cùng từ chấm phạt đền trong chiến thắng trước Kazakhstan với tỉ số 3–0 trên sân của đối thủ, giúp Ba Lan tiến gần cơ hội tham dự World Cup 2018.

Ngày 5 tháng 10 năm 2017, trong chuyến làm khách trên sân của Armenia, Lewandowski tiếp tục tỏa sáng với một cú hat-trick trong chiến thắng 6–1 trước đối thủ, qua đó trở thành cầu thủ ghi nhiều bàn thắng nhất trong lịch sử đội tuyển quốc gia với 50 bàn thắng, vượt thành tích 48 bàn thắng của huyền thoại Włodzimierz Lubański.[99] Ba ngày sau, trong cuộc tiếp đón Montenegro trên sân nhà, anh chỉ có một bàn thắng trong chiến thắng 4–2 trước đối thủ, qua đó Ba Lan xếp vị trí nhất bảng với 25 điểm, 8 trận thắng, 1 trận hòa, 1 trận thua và chính thức giành quyền tham dự World Cup 2018, đồng thời anh trở thành cầu thủ ghi nhiều bàn thắng nhất vòng loại khu vực châu Âu với 16 bàn thắng (hơn Cristiano Ronaldo của Bồ Đào Nha 1 bàn) và là cầu thủ Châu Âu đầu tiên vươn được đến cột mốc này.[100]

Anh được triệu tập trong danh sách 23 cầu thủ Ba Lan tham dự World Cup 2018 diễn ra tại Nga.[101] Tại giải đấu này, anh không ghi được bàn thắng cũng như không có pha kiến tạo nào trong cả ba trận đấu vòng bảng trước các đối thủ Sénégal, Colombia và Nhật Bản. Lewandowski chỉ có đúng ba pha dứt điểm trúng khung thành sau 270 phút chơi ở vòng bảng.[102] Do vậy, đội tuyển Ba Lan đã phải rời giải ngay sau vòng bảng với 3 điểm, 1 trận thắng và 2 trận thua, chỉ ghi được 2 bàn thắng và bị thủng lưới 5 bàn.

Ngày 24 tháng 3 năm 2019, Lewandowski đã ghi bàn thắng đầu tiên trong khuôn khổ bảng G vòng loại Euro 2016 với chiến thắng 2–0 trước Latvia. Đến ngày 10 tháng 6, anh có thêm 1 bàn thắng tiếp theo trong chiến thắng 4–0 trước Israel, giúp Ba Lan củng cố ngôi đầu bảng G. Ngày 10 tháng 10 năm 2019, Lewandowski lập một cú hat-trick trong chiến thắng 3–0 của Ba Lan trước đối thủ Latvia, giúp Ba Lan tiến gần cơ hội tham dự Euro 2020. Ngày 19 tháng 11, ở lượt trận cuối cùng vòng loại, anh đã ghi bàn thắng gỡ hòa trước Slovenia, giúp Ba Lan có được chiến thắng sát nút 3–2 trước đối thủ và chính thức giành quyền tham dự Euro 2020 với 25 điểm, 8 trận thắng, 1 trận hòa và 1 trận thua, ghi được 18 bàn và 5 lần lọt lưới.