Am 25. November 2005 absolvierte Uwe Gensheimer seinen ersten Einsatz in der deutschen A-Nationalmannschaft in Lemgo gegen Slowenien. Mit Deutschland nahm er an den Europameisterschaften 2010 und 2012 sowie an der Weltmeisterschaft 2011, der Weltmeisterschaft 2015, der Weltmeisterschaft 2017 und der Weltmeisterschaft 2019 teil. 2014 wurde Gensheimer Kapitän der Nationalmannschaft. Die Europameisterschaft 2016, bei der Deutschland den Titel gewann, verpasste er aufgrund einer Verletzung. Bei den Olympischen Spielen 2016 in Rio de Janeiro gewann er die Bronzemedaille. Dafür wurde er am 1. November 2016 mit dem Silbernen Lorbeerblatt geehrt. Zur Europameisterschaft 2018 wurde er von Bundestrainer Christian Prokop in den 20er-Kader berufen, der die Vorbereitung bestritt. Am 7. Januar wurde er in den endgültigen 16er-Kader berufen und nahm damit an der EM 2018 teil. Im Dezember 2018 wurde Gensheimer in den endgültigen Kader für die Weltmeisterschaft 2019, die in Deutschland und Dänemark ausgetragen wurde, berufen. Kapitän Gensheimer spielte, wie die ganze deutsche Mannschaft, ein starkes Turnier und wurde erst im Halbfinale gegen Norwegen gestoppt. Auch das Spiel um Platz drei verlor man unglücklich in den Schlusssekunden mit 25:26 gegen Frankreich. Dennoch war das Turnier vor allem im Vergleich zum vorangegangenen ein großer Erfolg und Gensheimer landete schlussendlich auf Platz vier der Torschützenliste. Mit der deutschen Auswahl nahm er an den Spielen der XXXII. Olympiade 2021 in Tokio teil. Beim Spiel gegen Argentinien kam er zu seinem 200. Länderspieleinsatz. Nach den Olympischen Spielen verkündete er nach 204 Länderspielen und 921 erzielten Toren seinen Rücktritt aus der Nationalmannschaft.