Ngày 24 tháng 12 năm 2010, Son được triệu tập vào đội tuyển bóng đá quốc gia Hàn Quốc chuẩn bị cho Cúp bóng đá châu Á 2011,[53] anh có trận ra mắt cho đội tuyển trong trận giao hữu trước giải với Syria vào ngày 30 tháng 12.[54] Trong vòng chung kết của giải, anh ghi bàn thắng quốc tế đầu tiên trong chiến thắng 4-1 ở vòng bảng trước Ấn Độ.[55]

Ngày 7 tháng 10 năm 2011, sau khi bỏ lỡ hai trận đầu tiên của Hàn Quốc tại chiến dịch Vòng loại giải bóng đá vô địch thế giới 2014 vào ngày 2 và 6 tháng 9 năm 2011 bởi chấn thương mắt cá chân, anh đã chơi trong một trận giao hữu với Ba Lan và góp mặt trong trận vòng loại World Cup ngày 11 tháng 10 đối đầu các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất.[56][57] Tuy nhiên việc thi đấu cho đội tuyển quốc gia lại là một mối lo ngại đối với cha Son, người đã gây ra tranh cãi khi yêu cầu Liên đoàn bóng đá Hàn Quốc không chọn con trai ông vào đội tuyển trong tương lai gần để anh có thể nghỉ ngơi và trưởng thành hơn với vai trò một cầu thủ. Sau đó huấn luyện viên trưởng Hàn Quốc là Cho Kwang-rae đã trả lời khi nói rằng ông sẽ tiếp tục triệu tập Son lên tuyển nếu cần thiết.[58]

Son từng từ chối cơ hội tham dự Thế vận hội Mùa hè 2012, thay vào đó là lựa chọn tập trung vào sự nghiệp của anh tại Hamburger SV. Trích dẫn lời nói của Son, "Ở Hàn Quốc, việc thi đấu ở Thế vận hội có ý nghĩa đặc biệt, nhưng tôi lại tăng tốc tại Hamburg. Điều quan trọng là dành toàn bộ thời gian của tôi để tập luyện cùng đội bóng".[59] Tuy nhiên Son vẫn chơi cho đội tuyển vào mùa thu năm 2012 trong hai trận vòng loại giải bóng đá vô địch thế giới 2014 gặp Liban và Iran,[60] và thường xuyên được triệu tập trong các trận giao hữu và vòng loại World Cup trong năm 2013. Trong trận vòng loại World Cup tiếp đón Qatar vào ngày 23 tháng 3 năm 2013, Son vào sân thay người ở phút thứ 81 và lập công ở phút thứ 96.[61]

Tháng 6 năm 2014, Son được triệu tập lên đội tuyển Hàn Quốc để thi đấu tại giải bóng đá vô địch thế giới 2014.[62] Ngày 22 tháng 6, anh ghi bàn trong thất bại 4-2 trước Algeria trong trận đấu ở vòng hai của đội.[63] Sau khi đội tuyển bị loại, Son là một trong số ít các cầu thủ được ca ngợi với màn trình diễn thuyết phục của họ tại World Cup 2014.

Liên đoàn bóng đá Hàn Quốc đã yêu cầu Bayer Leverkusen cho phép Son thi đấu tại Asian Games 2014 diễm ra ở Incheon, nếu đội tuyển giành tấm huy chương vàng tại giải thì Son sẽ được miễn nghĩa vụ quân sự bắt buộc ở quê nhà. Mặc dù Son khẳng định mong muốn tham dự giải của anh và những nỗ lực của KFA, câu lạc bộ chủ quản Bayer Leverkusen vẫn từ chối thả anh, bởi sự vắng mặt của Son đồng nghĩa họ sẽ mất anh trong ít nhất sáu trận đấu đầu mùa giải.[64]

Son đã được gọi vào ĐTQG chuẩn bị cho AFC Asian Cup 2015 tại Úc. Ở vòng tứ kết, anh đã ghi cả hai bàn thắng của đội trong trận thắng 2–0 trước Uzbekistan. Trong trận chung kết với đội chủ nhà Úc, anh đã ghi bàn gỡ hòa cho Hàn Quốc ở phút 90 sau khi đội nhà bị dẫn trước trong hiệp 1, nhưng cuối cùng đội của anh đã thua 1-2 trong hiệp phụ và đành chấp nhận ngôi Á quân. Anh được chọn là một trong ba tiền đạo trong đội hình tiêu biểu của giải đấu.

Vào ngày 3 tháng 9 năm 2015 tại sân vận động Hwaseong, Son đã lập hat-trick trong chiến thắng 8-0 trên sân nhà trước Lào ở vòng loại thứ hai World Cup 2018. Vào tháng 6 năm 2016, Son được triệu tập với tư cách là 1 trong ba cầu thủ quá tuổi trong đội hình của Olympic Hàn Quốc thi đấu ở Olympic 2016 tại Rio de Janeiro. Son đã ghi hai bàn thắng ở vòng bảng với một bàn thắng trước Fiji và một bàn thắng vào lưới Đức, giúp đội của anh đứng đầu bảng với hai chiến thắng và một trận hòa. Nhưng Hàn Quốc đã bị loại bởi Honduras ở vòng tứ kết, trận đấu mà Son mất tích khi không có nhiều cơ hội ghi bàn.

Anh tiếp tục được huấn luyện viên Shin Tae-yong triệu tập trong đội hình 23 cầu thủ tham dự World Cup 2018 tổ chức tại Nga. Vào ngày 23 tháng 6, Son ghi một bàn thắng cực kỳ là đẹp từ sát vòng cấm địa - một cú sút căng chéo vào góc cao nhất - mặc dù đội bóng của anh đã thua 1-2 trước đội tuyển Mexico ở lượt hai của vòng bảng World Cup. Vào ngày 27 tháng 6, trong trận cuối vòng bảng, anh đã ghi bàn thắng thứ hai ở phút thứ 97 trong chiến thắng 2-0 trước nhà đương kim vô địch thế giới - đội tuyển Đức. Hàn Quốc sau đó vẫn bị loại sớm khi đứng vị trí thứ 3 bảng F với 3 điểm, ghi được 3 bàn và thủng lưới 3 lần.Dù vậy;đây lại được coi là sự cú sốc lớn nhất tại WC 2018 và anh cùng đồng đội trở về quê hương trong danh dự,tôn trọng rất lớn.

Son được chọn là một trong ba cầu thủ không giới hạn tuổi được cho phép trong đội hình dưới 23 tuổi cho môn bóng đá nam tại Asian Games 2018. Anh được đá chính cho đội trong trận đấu cuối cùng của vòng bảng gặp Kyrgyzstan, ghi bàn thắng duy nhất của trận đấu để giúp Olympic Hàn Quốc lọt vào vòng loại trực tiếp. Son cùng Hàn Quốc vượt qua Iran ở vòng 16 đội và Uzbekistan ở tứ kết. Olympic Hàn Quốc sau đó tiến đến trận chung kết sau khi đánh bại Việt Nam 3–1. Trong trận chung kết, Son đã kiến tạo cả hai bàn thắng của đội nhà trong chiến thắng 2–1 trước Nhật Bản giúp Hàn Quốc bảo vệ thành công chức vô địch ASIAD và quá đó giúp anh được miễn nghĩa vụ quân sự.

Son tiếp tục được tân huấn luyện viên Paulo Bento triệu tập trong đội hình 23 cầu thủ tham dự Asian Cup 2019 tổ chức tại Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất, giải đấu mà anh chỉ đi góp mặt trong trận cuối vòng bảng gặp Trung Quốc, vòng 16 đội gặp Bahrain và tứ kết gặp Qatar. Tuy vậy đội tuyển Hàn Quốc đã phải là dừng bước ở tứ kết sau thất bại 0–1 trước Qatar (đội tuyển sau đó đã đánh bại Nhật Bản với tỷ số 3-1 và đăng quang ngôi vô địch).