Defoe ha debuttato con la nazionale Under-21 da giocatore del Bournemouth nel marzo 2001 contro i pari età del Messico, segnando il secondo gol nella partita vinta per 3-0. Conta 23 presenze e 7 reti con l'Under-21. Ha esordito con la nazionale maggiore inglese nel marzo 2004 contro la (0-1) subentrando all'infortunato Darius Vassell. Escluso dal commissario tecnico Sven Göran Eriksson sia dal campionato europeo del 2004 sia, con grande sorpresa, dal campionato mondiale del 2006, torna protagonista con l'avvento di Steve McClaren, sotto la cui gestione partecipa con continuità alle qualificazioni al campionato europeo del 2008. Inizialmente relegato ai margini della nazionale dal CT Fabio Capello, dal giugno 2008 ha progressivamente guadagnato spazio in squadra, fino a diventare titolare.