Выступая за «Майнц», Воронин получил приглашение в молодёжную сборную Украины, а в январе 2002 года был вызван и в основную команду. В сборной дебютировал в марте 2002 года в матче со сборной Румынии, проигранном украинцами со счётом 1:4. Однако в сборной Воронину не удалось закрепиться, поскольку тренер Леонид Буряк предпочитал ему Шевченко, Реброва и Воробья. В следующем году Воронин забил 20 голов во второй Бундеслиге и получил от немецкого футбольного ежедневника Kicker следующую оценку: «Звезда 23-летнего нападающего взошла, после того как он получил в команде новую роль — ему предоставили полную свободу действий.» Тогда же в прессе появилась информация, что киевское «Динамо» заинтересовано в возвращении нападающего на Украину. Воронин вновь получил вызов в национальную сборную и забил свой первый гол за неё в отборочном турнире на Евро 2004 в ворота сборной Греции в сентябре 2002 года, а второй — в марте 2003 испанцам. «Штутгарт», «Болонья» и некоторые другие клубы по сообщениям прессы вели переговоры о подписании контракта с Ворониным, «Майнц» же был заинтересован в продлении действующего. Сайт uefa.com назвал Воронина одним из самых востребованных футболистов Германии. Сезон 2003/04 Воронин начал в составе «Кёльна», выигравшего вторую Бундеслигу.