Uchida đã từng có thời gian thi đấu cho các đội U-16, U-18 và U-20 Nhật Bản. Anh là thành viên của đội tuyển U-20 Nhật Bản giành ngôi á quân tại Giải U-20 châu Á 2006 tổ chức tại Ấn Độ và thi đấu cả bốn trận đấu ở Giải U-20 Thế giới 2007 tại Canada.[2]

Năm 2006, anh được huấn luyện viên Ivica Osim triệu tập vào đội tuyển nhưng không được thi đấu trận nào. Uchida có trận đấu đầu tiên cho đội tuyển Nhật Bản vào ngày 26 tháng 1 năm 2008 trong trận giao hữu với Chile tại Tokyo dưới thời tân huấn luyện viên Okada Takeshi.[2] Ngày 22 tháng 6 năm 2008, anh ghi bàn giúp Nhật Bản đánh bại Bahrain 1-0, đưa anh trở thành cầu thủ Nhật Bản trẻ nhất ghi bàn tại vòng loại World Cup ở 20 tuổi và 87 ngày[13], phá kỷ lục đã tồn tại 11 năm của Nakata Hidetoshi.

Năm 2008, anh là thành viên của đội tuyển Olympic Nhật Bản tham dự Thế vận hội Mùa hè 2008 tại Bắc Kinh.[14] Ngày 10 tháng 5 năm 2010, Uchida có tên trong danh sách 23 cầu thủ Nhật Bản tham dự World Cup 2010 tại Nam Phi do huấn luyện viên Okada Takeshi công bố nhưng đã không được ra sân tại giải đấu này.

Uchida tiếp tục có tên trong đội hình đội tuyển Nhật Bản tham dự Cúp bóng đá châu Á 2011 tại Quatar.[15] Đội tuyển Nhật Bản đã giành chức vô địch giải đấu này sau khi đánh bại đội tuyển Úc 1-0 ở trận chung kết.

Tháng 5 năm 2014, Uchida được huấn luyện viên Alberto Zaccheroni triệu tập vào đội hình 23 cầu thủ Nhật Bản tham dự World Cup 2014 tại Brasil.[16] Trong trận đấu giao hữu trước giải đấu này với Đội tuyển bóng đá quốc gia Síp, anh đã ghi bàn bằng một cú đá bồi sau pha dứt điểm bất thành của Shinji Kagawa và đó cũng là bàn thắng duy nhất của trận đấu.[17] Tại World Cup 2014, đội tuyển Nhật Bản thi đấu không thành công khi bị loại ngay từ vòng bảng. Do chấn thương đầu gối, Uchida đã không thể tham dự chiến dịch bảo vệ danh hiệu vô địch châu Á của tuyển Nhật tại Cúp bóng đá châu Á 2015.