Heidi Løke gab am 7. April 2006 ihr Debüt in der norwegischen Handballnationalmannschaft. Im selben Jahr stand sie im erweiterten EM-Kader. Nach ihrer Schwangerschaft nahm Løke an der Europameisterschaft 2008 teil. Mit Norwegen gelang ihr der Titelgewinn. Ein Jahr später errang sie die Bronzemedaille bei der Weltmeisterschaft in China. Im Jahr 2010 verteidigte sie mit Norwegen den EM-Titel. Zusätzlich wurde Løke in das All-Star-Team des Turniers gewählt. Ein Jahr später gewann die Norwegerin den WM-Titel und wurde wiederum in das All-Star-Team berufen. Im Sommer 2012 nahm Løke an den Olympischen Spielen in London teil, wo sie die Goldmedaille gewann. Des Weiteren wurde sie in das All-Star-Team des Turniers gewählt. Bei der Europameisterschaft 2012 wurde sie erneut in das All-Star-Team gewählt. Hier stand sie mit Norwegen im Finale, welches gegen Montenegro verloren wurde. Bei der Weltmeisterschaft 2013 schied sie mit Norwegen im Viertelfinale aus. Im Turnierverlauf erzielte sie 21 Treffer in sechs Partien. Nachdem Løke im Juli 2014 ankündigte, dass sie eine Nationalmannschaftspause einlegt, kehrte sie schon im Oktober desselben Jahres in den Nationalkader zurück. Bei der Europameisterschaft 2014 gewann sie die Goldmedaille und wurde in das All-Star-Team gewählt. Ein Jahr später gewann sie ihren zweiten WM-Titel und sie wurde ebenfalls in das All-Star-Team gewählt. Bei den Olympischen Spielen 2016 in Rio de Janeiro gewann sie die Bronzemedaille. Ein Jahr später gewann Løke die Silbermedaille bei der Weltmeisterschaft in Deutschland.