de Gea var lagkapten när Spanien vann U21-EM 2011 och 2013 och har också tävlat i OS 2012. 2014 gjorde han landslagsdebut och togs ut till VM samma år. Till EM 2016 och VM 2018 utsågs han till Spaniens förstemålvakt. Under detta VM räddade han endast ett skott på mål och Spanien åkte ut i åttondelsfinal. de Gea (och hela laget) fick utstå mycket kritik för sina insatser. Under EM 2020 (som spelades år 2021, på grund av Covid-19-pandemin), deltog de Gea utan att spela någon match.