Romero cũng được gọi vào đội tuyển trẻ Argentina tại Giải bóng đá trẻ Nam Mỹ 2007 ở Paraguay và tham gia Giải U20 thế giới tại Canada. Ngày 8 tháng 8 năm 2007, Romero lần đầu tiên được bắt chính cho đội tuyển Argentina trong trận đấu giao hữu với Na Uy và Úc khi đó Argentina đều giành chiến thắng. Năm 2008, anh thay thế cho thủ môn Oscar Ustari tại Bắc Kinh 2008.

Romero được gọi vào đội tuyển Argentina được dẫn dắt bởi Diego Maradona, ra mắt huấn luyện viên mới vào ngày 9 tháng 9 năm 2009 trong trận chiến thắng 1–0 tại vòng loại World Cup 2010 gặp Paraguay và chơi trong trận thắng trước Uruguay tại Montevideo khi đó Argentina lọt vào vòng chung kết Giải bóng đá vô địch thế giới 2010. Anh đã ra sân tất cả năm trận tại World Cup 2010 khi đó Argentina dừng chân ở vòng tứ kết.

Romero là một sự lựa chọn cho vị trí thủ môn của huấn luyện viên Sergio Batista tham dự Copa América 2011 khi đó Argentina là chủ nhà, để thua Uruguay trên chấm phạt đền trong trận tứ kết. Anh vẫn giữ được vị trí thủ môn của mình như là lựa chọn số một dưới thời Huấn luyện viên mới Alejandro Sabella cho cho vòng loại FIFA World Cup 2014.

Romeo là thủ môn bắt chính của đội tuyển bóng đá tham dự vòng chung kết Giải bóng đá vô địch thế giới 2014. Trong trận bán kết, anh được bình chọn là cầu thủ xuất sắc nhất trận đấu [4] bởi đã cản phá thành công hai cú sút luân lưu 11m của Ron Vlaar và Wesley Sneijder, giúp cho tuyển Argentina giành chiến thắng 4-2 trong loạt sút luân lưu 11m để lọt vào trận chung kết Giải vô địch bóng đá thế giới 2014[5]. Vào ngày 11 tháng 7, Romero có tên trong danh sách rút gọn ba cầu thủ xuất sắc nhất của FIFA, giải thưởng cho thủ môn tốt nhất của giải đấu do màn trình diễn của mình khi dẫn dắt đội bóng vào đến trận chung kết[6].

Tại Cúp bóng đá Nam Mỹ 2015, Romero cản phá cú sút luân lưu 11m của cầu thủ Juan Camilo Zúñiga trong loạt sút luân lưu sau khi trận đấu ở vòng tứ kết kết thúc không bàn thắng, giúp đội tuyển bóng đá Argentina giành chiến thắng trước Colombia ở Viña del Mar[7].