Vào ngày 3 tháng 6 năm 2011, Courtois có tên trong danh sách cầu thủ tham dự vòng loại Euro 2012 của đội tuyển Bỉ đấu với Kazakhstan (Bỉ thắng 4-1).Ngày 11/10/2011,anh cũng có tên trong danh sách tham dự vòng loại Euro 2012, nhưng một lần nữa anh bị bỏ trên băng ghế dự bị,trận đấu kết thúc, Bỉ thua 3-1.

Ngày 15/11/2011, lần đầu tiên Courtois được điền tên vào đội hình xuất phát trong trận đấu giao hữu với Pháp, anh trở thành thủ môn trẻ nhất từng chơi cho Đội tuyển Bỉ.

Ngày 30/5/2016, anh được huấn luyện viên Marc Wilmots triệu tập tham dự Euro 2016, giải đấu mà anh được bắt chính cả ba trận vòng bảng rồi lọt vào đến tứ kết trước khi để thua xứ Wales.

Anh tiếp tục có tên trong danh sách 23 cầu thủ Bỉ tham dự World Cup 2018, giải đấu mà anh và các đồng đội đã giành huy chương đồng chung cuộc sau khi vượt qua Anh ở trận tranh 3/4. Kết thúc giải, anh được nhận danh hiệu thủ môn xuất sắc nhất của World Cup 2018. Nhờ đó, anh có tên trong danh sách đội hình tiêu biểu nhất của giải.