ในการแข่งขันระดับทีมชาติ เมสซิเป็นผู้ทำประตูสูงสุดตลอดกาลของอาร์เจนตินาจำนวน 71 ประตู ในระดับเยาวชน เขาพาอาร์เจนตินาชนะเลิศฟุตบอลโลกเยาวชน 2005 โดยเมื่อจบรายการแข่งขันเขาได้รับรางวัลลูกบอลทองคำและรองเท้าทองคำ ต่อมา เขาคว้าเหรียญทองในนามทีมชาติหลังจากพาทีมชนะเลิศโอลิมปิกฤดูร้อน 2008 เขาเป็นผู้เล่นที่มีรูปร่างเล็กและถนัดเท้าซ้าย และมักถูกเปรียบเทียบกับจำนานรุ่นพี่ร่วมทีมชาติอย่างดิเอโก มาราโดนา ผู้ยกย่องให้เมสซิเป็นทายาทตำนานคนถัดไป หลังจากที่เมสซิลงเล่นนัดแรกให้กับทีมชาติชุดใหญ่ในเดือนสิงหาคม ค.ศ. 2005 เขากลายเป็นผู้เล่นชาวอาร์เจนตินาที่อายุน้อยที่สุดที่ลงเล่นและทำประตูในฟุตบอลโลก ซึ่งเกิดขึ้นในปี 2006 เขารับหน้าที่เป็นกัปตันทีมชาติตั้งแต่เดือนสิงหาคม ค.ศ. 2011 โดยเขาพาอาร์เจนตินาเข้าชิงชนะเลิศถึงสามรายการ ได้แก่ ฟุตบอลโลก 2014 2015 และ 2016 โดยทำได้เพียงตำแหน่งรองแชมป์ทั้งสามรายการ และ เขาประกาศเลิกเล่นทีมชาติใน ค.ศ. 2016 ก่อนที่จะเปลี่ยนใจกลับมาช่วยให้ทีมชาติผ่านเข้าไปเล่นในรอบสุดท้ายของฟุตบอลโลก 2018 และพาทีมจบอันดับที่สามในโกปาอาเมริกา 2019 และชนะเลิศโกปาอาเมริกา 2021