Sein erstes Spiel für die Schweiz absolvierte Andres Ambühl bei der U18-Weltmeisterschaft 2001. In den folgenden zwei Jahren spielte er für die Schweizer U20-Nationalmannschaft, u. a. bei der U20-Weltmeisterschaft 2002 und der U20-Weltmeisterschaft 2003. Ab 2004 wurde er regelmässig in den Kader der Schweizer Nationalmannschaft berufen und etablierte sich als Stammspieler. Seitdem stand er bei allen folgenden Weltmeisterschaften (2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016 und 2017) für die Schweiz auf dem Eis. Ausserdem absolvierte Ambühl 2005 die Qualifikation für das Olympische Eishockeyturnier sowie die Olympischen Winterspiele 2006 in Turin, 2010 in Vancouver und 2014 in Sotschi.