Au niveau international, Serge Gnabry évolue dans toutes les catégories jeunes allemandes à partir des moins de 17 ans et marque trois buts avec chacune. Il participe aux Jeux olympiques de Rio 2016. En inscrivant six buts, il aide la délégation allemande à se hisser jusqu'en finale, perdue contre le pays hôte. Quelques mois plus tard, il connaît sa première cape en équipe A d'Allemagne mais retourne avec la sélection espoirs pour remporter l'Euro 2017 de la catégorie. Il s'impose ensuite comme un cadre de l'attaque allemande.