Werner từng thi đấu cho các đội trẻ Đức, ở các cấp độ U-15, U-16, U-17, U-19 và U-21, ghi 34 bàn trong 48 trận. Năm 2010, anh lập hat-trick trong lần xuất hiện đầu tiên cho U-15 Đức trong trận đấu với Ba Lan. Hai năm sau, anh là một phần của đội tuyển U-17 Đức đạt danh hiệu Á quân tại Giải vô địch bóng đá U-17 châu Âu 2012.[55] Năm 2015, anh cùng đội tuyển U-19 Đức tham dự Giải vô địch bóng đá U-19 châu Âu 2015 và ghi được một bàn thắng vào lưới U-19 Nga.

Năm 2017, Werner được huấn luyện viên đội tuyển quốc gia Đức Joachim Löw triệu tập cho trận đấu giao hữu với Anh và trận vòng loại World Cup 2018 với Azerbaijan vào tháng 3 năm 2017.[56] Anh chính thức có lần đầu tiên khoác áo đội tuyển Đức ngày 22 tháng 3 năm 2017 trên sân Signal Iduna Park gặp đội tuyển Anh và ra sân ngay từ đầu.[57] Anh cũng chính là cầu thủ đầu tiên trong lịch sử RB Leipzig được khoác áo Die Mannschaft.[19]

Confederations Cup 2017 và World Cup 2018

Vào ngày 17 tháng 5 năm 2017, Werner có tên trong đội hình đội tuyển Đức tham dự FIFA Confederations Cup 2017 được tổ chức tại Nga. Anh ra sân từ ghế dự bị thay cho Sandro Wagner trong trận mở màn của Đức tại giải đấu với Úc[58], trước khi có những bàn thắng đầu tiên cho đội tuyển quốc gia khi được chọn đá chính trận đấu cuối cùng tại vòng bảng với Cameroon vào ngày 25 tháng 6.[59] Bốn ngày sau, Werner ghi bàn thắng thứ ba của Đức trong chiến thắng bán kết 4-1 trước México.[60] Vào ngày 2 tháng 7 năm 2017, anh là người có đường chuyền quyết định để Lars Stindl ghi bàn thắng duy nhất trong trận chung kết với Chile.[61] Với ba bàn thắng và hai pha kiến tạo, Werner đã được trao tặng danh hiệu Chiếc giày vàng của giải đấu.[62]

Ngày 1 tháng 9 năm 2017, Werner ghi bàn mở tỉ số trong chiến thắng 2-1 trước Cộng hòa Séc tại vòng loại World Cup 2018.[63] Ba ngày sau đó, anh lập cú đúp trong trận thắng đậm Na Uy 6-0 trên sân Mercedes-Benz Arena thành phố quê nhà Stuttgart.[64]

Vào ngày 4 tháng 6 năm 2018, Werner đã được đưa vào đội hình 23 người cuối cùng của đội tuyển Đức đến Nga thi đấu tại World Cup 2018.[65] Anh ra sân ngay từ đầu trận mở màn vòng bảng thua México 1-0 ngày 17 tháng 6.[66] Anh thi đấu nổi bật trong cả hai trận đấu vòng bảng còn lại với Thụy Điển và Hàn Quốc nhưng không thể ghi bàn và Đức bị loại ở vòng bảng lần đầu tiên kể từ năm 1938.[67]

Ngày 3 tháng 9 năm 2020, anh trở thành người ghi bàn đầu tiên cho đội tuyển Đức tại UEFA Nations League 2020-21 trong trận hòa 1-1 với Tây Ban Nha.[68]