Henry có một sự nghiệp thành công trong màu áo đội tuyển Quốc gia Pháp. Phong độ cao trong màu áo Monaco giúp anh được triệu tập vào đội U-20 Pháp thi đấu tại Giải trẻ thế giới năm 1997 cùng với hai đồng đội tương lai William Gallas và David Trézéguet. Bốn tháng sau huấn luyện viên Aimé Jacquet triệu tập Henry lên đội tuyển quốc gia. Cầu thủ 20 tuổi có trận đấu ra mắt trong chiến thắng 2-1 trước Nam Phi ngày 11 tháng 10 năm 1997.[71] Jacquet ấn tượng với Henry đến mức đưa anh đến World Cup 1998. Cho dù Henry vẫn còn vô danh vào thời điểm đó, anh kết thúc giải đấu với tư cách cầu thủ ghi nhiều bàn thắng nhất đội bóng với 3 bàn.[72] Anh đã có thể được vào sân từ ghế dư bị trong trận chung kết nơi Pháp thắng Brazil 3-0, nhưng thẻ đỏ của Marcel Desailly đòi hỏi một sự thay người cho hàng thủ. Năm 1998, anh nhận huân chương Bắc Đẩu Bội Tinh (cấp Hiệp sĩ), huân chương cao quý nhất của Nhà nước Pháp.[73]

Henry là một thành viên trong đội hình tuyển Pháp tham dự Euro 2000, một lần nữa ghi ba bàn trong giải đấu, trong đó có bàn thắng gỡ hòa trước Bồ Đào Nha trong trận bán kết, và cũng là cầu thủ ghi nhiều bàn thắng nhất đội.[74][75] Tuyển Pháp sau đó chiến thắng trong hai hiệp phụ sau bàn thắng từ chấm phạt đền của  Zinédine Zidane. Pháp tiếp tục chiến thắng Ý sau 120 phút trong trận chung kết, mang về huy chương vàng thứ hai cho Henry.[76] Trong cả giải đấu, Henry ba lần được chọn là Cầu thủ xuất sắc nhất trận đấu, trong đó có cả trận chung kết trước Ý.[77]

World Cup 2002 là một nỗi xấu hổ cho cả Henry lẫn đội tuyển Pháp khi nhà đương kim vô địch bị loại ngay từ vòng bảng mà không ghi được bàn thắng nào.[2] Pháp để thua Senegal trong trận khai mạc,và trong trận hòa 0-0 sau đó trước Uruguay, Henry phải nhận thẻ đỏ sau một pha chuồi bóng nguy hiểm.[6] Thiếu Henry trong trận đấu cuối cùng, Pháp để thua Đan Mạch 2-0.[6]

Henry lấy lại phong độ trong màu áo tuyển quốc gia tại Cúp Liên đoàn các châu lục 2003. Cho dù thiếu vắng hai cận vệ Zidane và Patrick Vieira, tuyển Pháp vẫn giành cúp, phần lớn nhờ màn trình diễn xuất sắc của Henry, với 3 lần được nhận danh hiệu Cầu thủ xuất sắc nhất trận đấu từ Tổ Kỹ thuật của FIFA.[2] Trong trận chung kết, anh ghi bàn thắng vàng trong hiệp phụ giúp đội chủ nhà nâng cúp trong chiến thắng 1-0 trước Cameroon.[2] Henry giành cả hai danh hiệu Quả bóng vàng cho cầu thủ xuất sắc nhất giải đấu và Chiếc giày vàng cho cầu thủ ghi nhiều bàn thắng nhất từ adidas.[2]

Tại Euro 2004, Henry có mặt trong tất cả các trận đấu của tuyển Pháp và ghi 2 bàn.[10] Pháp thắng Anh tại vòng bảng nhưng thua đội sau đó vô địch là Hy Lạp tại tứ kết.[78] Tại World Cup 2006, Henry nghiễm nhiên có một suất đá chính. Anh là cầu thủ chơi cao nhất trên hàng công, và mặc dù khởi đầu không tốt, anh vẫn là một trong những cầu thủ hàng đầu tại World Cup. Anh ghi 3 bàn, gồm cả bàn thắng từ pha đá phạt của Zidane hạ gục đương kim vô địch Brazil tại tứ kết.[2] Tuy nhiên Pháp vẫn chịu thua Ý trên chấm luân lưu (5-3) trong trận chung kết. Henry không có mặt trong loạt đá luân lưu vì bị thay ra bởi chấn thương trong hai hiệp phụ.[79] Henry được đề cử cho danh hiệu Quả bóng vàng, về sau đã thuộc về đồng đội Zidane,[80] và có mặt trong đội hình tiêu biểu của FIFPro năm 2006.[81]

Ngày 13 tháng 10 năm 2007, Henry bàn thắng thứ 41 trong trận đấu với Quần đảo Faroe, cùng với Michel Platini dẫn đầu danh sách làm bàn của tuyển Pháp.[82] Bốn ngày sau, tại sân vận động Stade de la Beaujoire, anh lập một cú đúp vào lưới Lithuania, qua đó lập kỷ lục ghi bàn cho nước Pháp.[83] Ngày 3 tháng 6 năm 2008, Henry có lần ra sân thứ 100 cho đội tuyển quốc gia trong trận đấu với Colombia, và là cầu thủ người Pháp thứ 6 làm được điều này.[84]

Henry vắng mặt trong trận đấu ra quân của tuyển Pháp trong chiến dịch Euro 2008 ngắn ngủi, khi chung bảng với Ý, Hà Lan, Romania và bị loại ngay từ vòng bảng.[85] Anh ghi bàn duy nhất của tuyển Pháp trong giải đấu này trong trận thua 4-1 trước Hà Lan.[86]

Đội bóng áo lam chật vật trong Vòng loại World Cup 2010 và xếp thứ hai chung cuộc sau Serbia. Trong trận lượt về vòng playoff trước Cộng hòa Ireland trên sân Stade de France ngày 18 tháng 11 năm 2009, Henry là tâm điểm của một pha tranh cãi. Khi tổng tỷ số đang là 1-1 và trận đấu đang trong thời gian thi đấu thêm, Henry hai lần dùng tay chơi bóng trước khi chuyền cho Gallas ghi bàn kết thúc trận đấu.[87] Điều này làm dấy lên một loạt những chỉ trích chống lại cầu thủ người Pháp, trong khi huấn luyện viên trưởng tuyển Pháp Raymond Domenech và huấn luyện viên Arsenal Arsene Wenger đều bảo vệ Henry.[88][89] Liên đoàn bóng đá Ireland nộp đơn khiếu nại chính thức lên FIFA và yêu cầu một trận đá lại nhưng bị từ chối. Henry nói rằng anh đã cân nhắc quyết định từ giã sự nghiệp quốc tế sau những phản ứng trên,[90] nhưng vẫn cho rằng mình không gian lận. Vài giờ sau khi FIFA bác bỏ khả năng về một trận đá lại, Henry nói rằng "cách giải quyết công bằng nhất là tổ chức lại trận đấu đó".[91] Chủ tịch FIFA Sepp Blatter miêu tả tình huống đó là "một pha chơi xấu trắng trợn" và hành động đó sẽ bị điều tra bởi Hội đồng Kỷ luật.[92] Blatter cũng nói rằng gia đình của Henry cũng bị đe họa sau vụ việc trên.[93] Tháng 1 năm 2010, FIFA tuyên bố không có cơ sở pháp lý nào để xử phạt Henry.[94]

Henry không có mặt trong đội hình xuất phát của Pháp tại World Cup 2010. Pháp hòa trong trận ra quân trước Uruguay, và thua 2-0 trước Mexico sau đó. Đội tuyển rơi vào tình trạng hỗn loạn khi Nicolas Anelka bị đuổi khỏi đội, và đội trưởng Patrice Evra cầm đầm nhóm biểu tình từ chối tập luyện.[95] Trong trận đấu cuối cùng tại vòng bảng trước đội chủ nhà Nam Phi, trận đấu mà Henry vào sân trong hiệp 2, Pháp thua 2-1 và bị loại. Sau đó anh tuyên bố giã từ sự nghiệp quốc tế với 123 lần khoác áo đội tuyển quốc gia với 51 bàn thắng, dẫn đầu danh sách ghi bàn và là cầu thủ khoác áo đội tuyển nhiều thứ hai sau Lilian Thuram.[96]