Courtois edusti Belgiaa vuoden 2014 MM-kilpailuissa. Hän pelasi puolivälieriin edenneen Belgian kaikki viisi ottelua. Vuoden 2016 EM-kilpailuissa hän pelasi niin ikään Belgian kaikki viisi ottelua. Hän oli Belgian ykkösmaalivahti myös MM-kilpailuissa 2018, joissa Belgia saavutti pronssia. Kesän 2021 EM-kilpailuissa Courtois jatkoi ykkösmaalivahtina mutta Belgia ei yltänyt puolivälieriä pidemmälle. Hän on pelannut heinäkuun 2021 puoliväliin mennessä 89 maaottelua, mikä on belgialaismaalivahtien kaikkien aikojen ennätys.