Mészöly spielte ein Jahrzehnt für die Ungarische Nationalmannschaft. Mit ihr nahm er an den Fußball-Weltmeisterschaften 1962, 1966 und der Fußball-Europameisterschaft 1964 teil. Während er mit seiner Mannschaft in den Weltmeisterschaftsteilnahmen zwar die Gruppenphase überstand, schied er mit ihr beide Mal im Viertelfinale aus. Bei der Europameisterschaft schaffte er es mit seinem Team bis ins Halbfinale. Hier unterlag Mészölys Mannschaft nach Verlängerung dem späteren Turniersieger Spanien mit 1:2 nach Verlängerung. Im Spiel um Platz drei bezwang Ungarn schließlich Dänemark mit 1:3 nach Verlängerung.